В поисках памяти - Эрик Кандель

Но оставалась еще одна тайна молекулярной биологии хранения памяти — как кратковременные воспоминания преобразуются в устойчивые долговременные. Эта тайна стала для меня предметом ночной науки: мечтательных размышлений, не связанных друг с другом мыслей и многомесячных раздумий о том, как искать решение проблемы с помощью экспериментов дневной науки.

Мы с Джимми Шварцем установили, что формирование долговременной памяти зависит от синтеза новых белков. Мне интуитивно казалось, что истоки долговременной памяти, в которой задействованы длительные изменения синаптической силы, нужно искать в изменениях генетического аппарата сенсорных нейронов. Последовать этому смутному замыслу значило увести наши исследования формирования памяти еще дальше в молекулярные лабиринты нейрона — в клеточное ядро, где находятся гены и где регулируется их активность.

Во время ночных размышлений я мечтал о том, чтобы сделать следующий шаг, воспользовавшись недавно разработанными методами молекулярной биологии, чтобы прислушаться к диалогу между генами сенсорных нейронов и их синапсами. Время для этого шага было самое благоприятное. К 1980 году молекулярная биология стала главной объединяющей силой в биологии. Вскоре ей предстояло распространить влияние на нейробиологию и принять участие в создании новой науки о психике.

Как случилось, что молекулярная биология, особенно молекулярная генетика, стала такой важной наукой? Истоки молекулярной биологии и ее роли в науке восходят к пятидесятым годам XIX века, когда Грегор Мендель первым осознал, что наследственная информация передается от родителей потомкам в виде отдельных биологических единиц, которые мы называем генами. Примерно в 1915 году Томас Морган обнаружил, что у плодовых мух каждый ген расположен в хромосомах в определенном месте (локусе). В клетках мух и других высших организмов каждая хромосома имеется в двух экземплярах: один достается от матери, другой — от отца. Поэтому потомки получают по одному экземпляру каждого гена от каждого из своих родителей. В 1942 году Эрвин Шредингер, физик-теоретик австрийского происхождения, прочитал в Дублине курс лекций, который был впоследствии опубликован в виде книжки, озаглавленной «Что такое жизнь?». В ней Шредингер отмечал, что именно различия между генами отличают один вид животных от других, в том числе людей от других животных. Гены, как писал Шредингер, наделяют организмы их отличительными признаками. Они обеспечивают хранение закодированной биологической информации, ее копирование и надежную передачу из поколения в поколение. Поэтому хромосомы, удвоенные перед делением клетки, которые при этом расходятся, должны содержать точные копии всех генов исходных хромосом материнской клетки. Ключевой механизм жизни — хранение и передача биологической информации из поколения в поколение — осуществляется путем удвоения (репликации) хромосом и работы (экспрессии) генов.

Идеи Шредингера привлекли внимание физиков и привели некоторых из них в биологию. Кроме того, его идеи помогли превратить биохимию, одну из ключевых биологических наук, из дисциплины, занимающейся ферментами и преобразованиями энергии (то есть тем как клетки ее получают и используют), в дисциплину, занимающуюся преобразованиями информации (тем, как она копируется, передается и видоизменяется в клетках) Тогда стала ясна важность хромосом и генов как носителей биологической информации. К 1949 году стало понятно, что у ряда неврологических заболеваний, таких как хорея Хантингтона и болезнь Паркинсона, а также у некоторых психических заболеваний, в том числе у шизофрении и депрессии, есть генетические компоненты. Природа гена стала ключевым вопросом всей биологии, в том числе и для нейробиологии.

Какова природа генов? Из чего они состоят? В 1944 году Освальд Эвери, Маклин Маккарти и Колин Маклауд из Рокфеллеровского института совершили прорыв в этой области, установив, что гены состоят не из белков, как думали многие биологи, а из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Девять лет спустя в номере журнала Nature от 25 апреля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик описали свою ставшую теперь классической модель структуры ДНК. С помощью рентгеновских снимков, сделанных специалистами по структурной биологии Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом, Уотсон и Крик пришли к выводу, что ДНК состоит из двух длинных цепочек, завитых относительно друг друга в форме спирали. Зная, что каждая из цепочек этой двойной спирали составлена из маленьких повторяющихся звеньев четырех типов — так называемых нуклеотидов (аденина, тимина, гуанина и цитозина), Уотсон и Крик предположили, что с помощью них и записана содержащаяся в генах информация. Это предположение привело их к поразительному открытию, что две цепочки ДНК комплементарны, то есть каждый нуклеотид одной цепочки образует пару со строго определенным нуклеотидом другой: аденин (А) связывается только с тимином (Т), а гуанин (Г) — только с цитозином (Ц). Такие связи нуклеотидов по всей длине обеих цепочек и соединяют эти цепочки друг с другом.

Открытие Уотсона и Крика подвело молекулярную базу под идеи Шредингера и положило начало молекулярной биологии. В основе работы генов, как отмечал Шредингер, лежит репликация (копирование). Классическая статья Уотсона и Крика завершалась предложением, которое стало знаменитым: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированные нами специфические парные связи позволяют сразу предположить механизм копирования генетического материала».

Модель двойной спирали показывает, как реплицируются гены. Когда во время репликации две цепочки ДНК расплетаются, каждая материнская цепочка служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепочки. Содержащая информацию последовательность, в которой расположены нуклеотиды в материнской цепочке, определяет последовательность нуклеотидов в дочерней: А будет связываться с Т, а Г — с Ц. Впоследствии дочерняя цепочка может служить матрицей для синтеза следующей, новой цепочки. Этот механизм позволяет достоверно копировать ДНК перед делением клетки, чтобы дочерним клеткам доставались копии ДНК материнской. Он работает во всех клетках организма, в том числе в сперматозоидах и яйцеклетках, тем самым обеспечивая воспроизводство организма и передачу генетической информации из поколения в поколение.

Отталкиваясь от механизма репликации генов, Уотсон и Крик также предположили возможный механизм синтеза белков. Из того, что каждый ген управляет синтезом какого-то определенного белка, они сделали вывод, что последовательность нуклеотидов в каждом гене кодирует соответствующий белок. Для синтеза белков, как и для репликации генов, эта закодированная информация считывается путем создания комплементарной копии участка цепочки ДНК. Но при синтезе белков, как показали дальнейшие исследования, эту информацию переносит вспомогательная молекула так называемой информационной РНК (рибонуклеиновой кислоты). Как и ДНК, информационная РНК — это нуклеиновая кислота, состоящая из нуклеотидов четырех типов. Три из них (аденин, гуанин и цитозин) соответствуют нуклеотидам ДНК, а четвертый (урацил) входит только в состав РНК, вместо тимина. Для синтеза белка две цепочки ДНК в пределах одного гена отходят друг от друга, и информация с одной из них копируется на информационную РНК. Затем последовательность нуклеотидов информационной РНК считывается, и в соответствии с ней синтезируется белок. Так Уотсон и Крик[27] сформулировали центральную догму молекулярной биологии: на матрице ДНК синтезируется РНК, а на матрице РНК синтезируется белок.