Загадка ферментной индукции

фермент

В самом конце позапрошлого века француз Е. Дюкло описал явление, ставшее «камнем преткновения» на целые 60 лет. Явление, впоследствии названное «ферментной индукцией», упорно мешало продвижению вперед многих исследований. Коротко говоря, сводилось оно к следующему. Возьмем клетку, которая способна синтезировать, то есть из двадцати, примерно, аминокислот-блоков строить сложные цепи белковых молекул, например фермента А. Экспериментатор, исследуя эту клетку, видел, что в один какой-то момент белок А в ней не синтезировался. На втором этапе опыта в клетку вводилось вещество: оно либо расщеплялось ферментом (то есть было субстратом его), либо было ему родственно (тогда его называют индуктором). В ответ клетка начинала деловито вырабатывать фермент А. Как только вещество убиралось, синтез фермента приостанавливался. Вот и все.

Эксперимент повторяли в десятках лабораторий, но положение от этого не становилось лучше. Почему? Потому что он противоречил общим представлениям о белковом синтезе. Считалось: в ядре, в хромосомах, состоящих из белка и нуклеиновых кислот, содержится информация — сведения о белках, которые клетка способна строить сама, и о составе этих белков. От хромосом эта информация передается в цитоплазму (тело клетки), где и происходит синтез белка. (Теперь-то мы уже знаем, что информация записана в длинных нитях нуклеиновых кислот чередованием четырех веществ — азотистых оснований. Известно и то, как идет синтез белка: на ДНК хромосомы строятся ее зеркальные копии — молекулы-посредники, которые из ядра проникают в цитоплазму и входят в рибосомы. Тут-то А складываются из аминокислотных блоков белковые молекулы. Строение белка определяется строением молекулы-посредника, вошедшей в рибосому. Но все это было изучено совсем недавно, а прежде оставалось неизвестным.)

Наконец, последнее. Хромосомы разделены на самостоятельные отрезки — гены. Каждый такой отрезок управляет синтезом одного белка-фермента. Это обстоятельство легло в основу формулы американских ученых Бидла и Тэтума «один ген — один фермент». Ферменты — особые белки — управляют всеми реакциями в организме, в тысячи раз ускоряя их течение.

Но вернемся к нашему примеру. Клетка сначала не синтезировала фермент А. Почему? Значит, в ней нет и гена А? Вспомните: один ген — один фермент. Потом по команде индуктора или субстрата синтез начинался. Что же, индуктор образовывал новый ген в хромосомах? Но это уже было бы чистой мистикой! Тем более, что таинственные превращения на этом не кончались: если в клетку добавлялось небольшое количество индуктора, то в скором времени синтез белка прекращался. Значит, когда иссякал запас индуктора,— ген снова исчезал?!

Сначала список ферментов, поддавшихся такой индукции, был довольно скромным, но по мере расширения биохимических исследований, он начал угрожающе разрас¬таться. Конечно, в момент открытия ферментной индукции Дюкло ничего не знал о генах. Но со временем утверждение: если в клетке вырабатываются ферменты, то в ней должны быть и гены, дающие информацию о синтезе этих ферментов, — стало серьезно беспокоить ученых. Повторяю, считалось, если уж наследственность налицо, то и деваться некуда: ген непременно сработает.

Но у фактов была своя логика. Коротко ее можно было бы изложить так: индуктора нет — индуктор есть — индуктора нет. И параллельно: синтеза нет — синтез есть — синтеза нет. Эта логика не оставляла ничего другого, как предположить: какие-то неизвестные регулировщики по сигналу извне (добавление субстрата или индуктора) включали в работу гены, связанные с ферментами, и подавляли их активность при удалении субстрата или индуктора из клеточной среды.

Это было первым загадочным свойством, присущим системе синтеза: ферменты вырабатывались только по сигналу извне. Как же это происходит? И вторая загадка…

Среди многих соединений, усваиваемых бактериями, есть молочный сахар — лактоза. В его переработке участвуют два других вещества — галактозидпермеаза, регулирующая поступление сахара в клетку, и бэта-галактозидаза, расщепляющая его. После многих генетических опытов в хромосоме бактерий кишечной палочки удалось разыскать два гена, каждый из которых отвечает за синтез одного из этих ферментов. Удалось найти их взаимное расположение на хромосоме. Ну, а после этого, как и обычно, генетики начали изучать мутации, изменчивость этих двух генов, другими словами, стали исследовать, какие изменения в генах возникают и как они сказываются на работе клетки.

Как и полагалось по всем законам, один ген соответствовал одному ферменту и гены эти давали мутации.

Ученые обнаружили мутанты (то есть измененные гены), неспособные синтезировать пермеазу (их обозначили символом У). Затем нашли мутанты, неспособные синтезировать бэта-галактозидазу (их обозначили символом Z ). Затем выяснили, как часто возникают такие мутанты. Оказалось, что каждый из них встречается в среднем на 10 миллионов клеток бактерий кишечной палочки. Такая частота согласовывалась с теми числами, какие получались при исследовании других мутаций.

И вдруг среди этого благополучия прозвучал гром. Был обнаружен необычный мутант — его обозначили как 0°. Если он был в хромосоме бактерии, то она оказывалась неспособной синтезировать сразу оба фермента: и пермеазу и бэта-галактозидазу. Само по себе это еще не казалось чем-то чрезвычайным. Хотя и очень редко, но все же возникают мутанты, у которых повреждены сразу два гена. Их называют двойными. Но предположение о том, что 0° — двойная мутация, было тут же отброшено. Частота появления мутанта Y — Ю-7 и Z — также Ю-7. (Вспомните: одна мутация на 10 миллионов неизмененных генов.)

По законам теории вероятностей частота одновременного нарушения обоих генов должна быть равна Ю-14, то есть в десять миллионов раз меньше. Увы, нет! Частота возникновения мутации 0° была близка к 10—7. Значит, мутация 0° не является двойной. Но если так, то тогда она не может быть ничем иным, как самостоятельным изменением в хромосоме бактерии. И у нее должно быть свое, самостоятельное место: не в генах У и Z. Чтобы окончательно прояснить дело, теперь и следовало это место найти. Нужно было, скрещивая бактерии с разными изменениями в генах, определить расположение всех трех мутаций в хромосоме.

Несмотря на трудность такой работы, она удалась Ф. Жакобу и его сотрудникам. И оказалось: мутация 0° занимает свое, точно определенное место на хромосоме бактерий, неподалеку от генов У и Z. Так был найден особый ген 0 с весьма необычными качествами — его изменение выводило из строя еще два соседних гена. Это открытие только усугубляло трудность положения. Загадочность гена 0 теперь не подлежала сомнению: ген, оказывавший влияние на другие гены, регулирует их работу. Это было и ново и непонятно.

Не связаны ли две загадки между собой? Не являются ли они отражением единого процесса? За решение этих вопросов взялись Ж. Моно и Ф. Жакоб. Вероятно, предположили они, гены не одинаковы — одни дают информацию о синтезе ферментов и о составе — структуре каждого из них, а другие регулируют работу первых генов.

Значит, надо разделить все гены в хромосомах на две группы: гены, передающие информацию (их назвали структурными генами), и гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторные гены). В нашем примере к структурным генам следовало отнести гены У и Z, а к регуляторным — ген 0. Исследователи пошли еще дальше — они предположили, что гены регуляторной системы состоят, в свою очередь, из двух, разновидностей: генов-регуляторов и генов-операторов.

Жакоб и Моно не ограничились простым делением генов регуляторной системы на два сорта. Они предложили и возможный механизм работы этих генов. Ген- регулятор управляет синтезом вещества, названного ими репрессором. Это первая стадия. На второй стадии репрессор перемещается от регулятора к гену-оператору. Подобно ключу от замка, репрессор может отпереть или запереть ген-оператор и в зависимости от этого запустить в ход или остановить «машину» структурных генов. Но репрессор может соединиться еще с одним веществом — индуктором. Тогда он потеряет свою активность и не сможет влиять на оператор.

Можно представить себе клетку как гигантский комбинат, где производятся самые разные белки. На комбинате множество узкоспециализированных цехов, занимающихся выпуском своей продукции. Один из них — наш лактозный цех по изготовлению бэта-галактозидазы и пермеазы. Если раньше считалось, что достаточно только два агрегата (два структурных гена: по одному на каждый фермент) и все будет в порядке, то теперь, по предложению Ф. Жакоба и Ж. Моно, работа цеха должна была выглядеть следующим образом. Вот ген-регулятор «штампует» молекулу репрессора. Этот репрессор подходит ко второму агрегату, гену-оператору, и, соединившись с ним, замыкает его. Оператор выключается, но вместе с ним выключаются и все структурные гены. С них перестает сниматься информация и выработка ферментов прекращается. Цех встал.

Но вот в комбинате потребовались бэта-галактозидаза и пермеаза. На территорию нашего цеха посылается индуктор. Его задача — дать команду: «включить лактозный цех». Индуктор «хватает» репрессор, оператор освобождается от контроля репрессора, включаются и снова начинают работать установки, изготавливающие ферменты. До тех пор, пока они нужны комбинату, в лактозный цех будут вновь и вновь поступать индукторы, связывающие молекулы репрессоров. И лишь когда потребность в лактозных ферментах исчезнет, репрессор снова замкнет оператор и цех перестанет работать. Такова была рабочая гипотеза двух французских исследователей. Она привлекала своей понятностью и объясняла многие загадочные вопросы. Теперь надо было доказать, что это не гипотеза, а настоящая теория, построенная на прочном фундаменте фактов.

Продолжение следует.

Автор: В. Сойфер.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *