Это приключение началось в 1961 году, когда Франсуа Жакоб и Жак Моно из парижского Института Пастера опубликовали статью, озаглавленную «Генетические регуляторные механизмы и синтез белка». Используя в качестве модельного объекта бактерий, они сделали замечательное открытие, что работа генов может регулироваться, то есть включаться и выключаться, как водопроводный кран.
Жакоб и Моно высказали предположение, известное нам теперь как факт, что даже у сложных организмов, таких как человеческий, почти каждый ген, входящий в состав генома, присутствует в каждой клетке тела. У каждой клетки в ядре содержатся все хромосомы организма, а значит, и все гены, необходимые для развития этого организма. Из чего следовал принципиальный для биологии вопрос: почему гены не функционируют одинаково в каждой клетке тела? Жакоб и Моно выдвинули гипотезу, которая в итоге полностью подтвердилась, что клетка печени является клеткой печени, а клетка мозга — клеткой мозга потому, что в клетках каждого типа включены (экспрессируются) только некоторые из генов, а все остальные выключены (репрессированы). Поэтому клетки каждого типа содержат собственный неповторимый набор белков — подмножество всех белков, которые в принципе могут синтезировать клетки организма. Этот набор белков и позволяет клеткам выполнять особенные биологические функции.
Гены включаются и выключаются по мере надобности, обеспечивая оптимальную работу всей клетки. Некоторые остаются выключенными на протяжении большей части жизни организма, другие, например задействованные в выработке энергии, всегда включены, потому что кодируемые ими белки жизненно важны для клетки. Но в клетках каждого типа одни гены экспрессируются лишь в определенное время, а другие включаются и выключаются в ответ на сигналы, поступающие из самого организма или из окружающей среды. Из этих доводов у меня в голове однажды вечером родилась светлая мысль: что есть обучение, как не набор сенсорных сигналов, поступающих из окружающей среды, так что сенсорные сигналы разного типа (или поступающие в разной последовательности) обеспечивают разные формы обучения?
Какие сигналы регулируют работу генов? Каким образом гены включаются и выключаются? Жакоб и Моно установили, что у бактерий гены включаются и выключаются другими генами. В связи с этим они выделили две разновидности генов: структурные и регуляторные. Структурные гены кодируют функциональные белки, определяющие структуру и функции клетки, такие как ферменты и ионные каналы. Регуляторные гены кодируют так называемые регуляторные белки, которые включают и выключают структурные гены. Затем Жакоб и Моно задались вопросом, как регуляторные белки действуют на структурные гены. Они предположили, что на отрезке ДНК, где находится каждый структурный ген, имеется не только участок, который кодирует определенный белок, но и регуляторный участок — особое место, которое теперь называют промотором. Регуляторные белки связываются с промоторами структурных генов, тем самым определяя, будет ли данный структурный ген включен или выключен.
Чтобы структурный ген мог включиться, регуляторные белки должны собраться на его промоторе и помочь отделить друг от друга две цепочки ДНК. После этого информация с одной из этих цепочек копируется на информационную РНК. Этот процесс называют транскрипцией. Информационная РНК выносит содержащиеся в гене инструкции для синтеза белка из ядра в цитоплазму клетки, где структуры, называемые рибосомами, синтезируют белок согласно этим инструкциям, осуществляя так называемую трансляцию. После того как с гена считывается записанная в нем информация, две цепочки ДНК снова сцепляются, и ген остается выключенным, пока регуляторные белки снова не запустят его транскрипцию.
Жакоб и Моно не только разработали основы теории регуляции работы генов, но и открыли регуляторные гены, участвующие в этом процессе. Есть две разновидности таких генов: репрессоры, кодирующие регуляторные белки, которые выключают структурные гены, и, как показали последующие исследования, активаторы, кодирующие регуляторные белки, которые включают структурные гены. Путем блестящих рассуждений и остроумных генетических экспериментов Жакоб и Моно выяснили, что, когда в распоряжении обыкновенной бактерии кишечной палочки, живущей у нас в кишечнике, имеется богатый запас одного из источников ее пищи — сахара лактозы, у нее включается ген, который кодирует фермент, позволяющий переваривать лактозу. Когда же лактоза кончается, ген этого пищеварительного фермента внезапно выключается. Как это происходит?
Жакоб и Моно установили, что в отсутствие лактозы ген-репрессор кодирует белок, который связывается с промотором гена пищеварительного фермента, не давая информации считываться с ДНК этого гена. Когда же они вновь добавляли лактозу в среду, на которой выращивали этих бактерий, лактоза входила в клетки и связывалась с белком-репрессором, из-за чего он отпадал от промотора. В результате промотор оставался свободным и мог связываться с белками, кодируемыми геном-активатором. Белки-активаторы включали структурный ген и обеспечивали синтез фермента, позволяющего бактерии усваивать лактозу.
Результаты этих исследований свидетельствовали о том, что кишечная палочка способна подстраивать интенсивность транскрипции генов в соответствии с поступающими извне сигналами. Дальнейшие исследования показали, что, когда эта бактерия оказывается в среде с небольшим содержанием глюкозы, в ней начинается синтез циклического АМФ, который запускает процесс, позволяющий клетке переваривать в первую очередь именно этот, более питательный сахар.
Открытие того, что работа генов может регулироваться в соответствии с потребностями клетки и условиями среды за счет сигнальных молекул, поступающих извне (как молекулы разных сахаров), а также изнутри (как вторичные посредники, например циклический АМФ), произвело революцию в моих мыслях. Оно заставило меня переформулировать в молекулярных терминах вопрос о том, как кратковременная память преобразуется в долговременную. Теперь мой вопрос состоял в том, какова природа регуляторных генов, задействованных в определенных формах обучения, то есть реагирующих на сигналы, поступающие извне, а также в том, как эти регуляторные гены переводят кратковременные синаптические изменения, необходимые для кратковременной памяти, в долговременные синаптические изменения, необходимые для долговременной.
Наши эксперименты, поставленные на беспозвоночных, как и некоторые другие, поставленные на позвоночных, продемонстрировали, что долговременная память требует синтеза новых белков. Эти результаты указывали, что механизмы хранения памяти, судя по всему, похожи у всех животных. Кроме того, Крейг Бейли сделал замечательное открытие, что долговременная память у аплизии сохраняется потому, что сенсорные нейроны отращивают себе новые окончания аксонов, тем самым усиливая свои синаптические связи с мотонейронами. Но по-прежнему оставалось тайной, что именно позволяет переводить какие-то кратковременные воспоминания в долговременную память. Быть может, характер действия раздражителей, вызывающий долговременную сенсибилизацию, делает это за счет активации определенных регуляторных генов, и кодируемые ими белки заставляют структурные гены запустить механизм образования новых окончаний аксона?
Изучая живые сенсорные нейроны и мотонейроны в культуре, мы редуцировали исследуемую нами поведенческую систему в достаточной степени, чтобы заняться этими вопросами. Мы установили, что принципиальный компонент долговременной памяти заключен в синаптической связи между двумя клетками. Теперь мы могли использовать метод рекомбинантной ДНК, чтобы ответить на вопрос, отвечают ли за включение и поддержание долговременного усиления этой связи определенные регуляторные гены.