«Энергетический кризис»
Кто-то из нас, едва оправившись от гриппа или другой вирусной инфекции, не испытывал тягостной усталости, которая не исчезает в течение нескольких дней или даже недель.
Иногда в наиболее тяжелых случаях недомогание длится месяцы или даже годы. Как сообщают Дж. Радда и его коллеги из Оксфордского университета в журнале «The Lancet», судя по их данным, такие последствия заболевания связаны с вызванным вирусной инфекцией нарушением обмена веществ в мышцах.
Необходимую для работы энергию мышца может получать двумя путями. В обычных условиях высокоэнергетическое соединение — аденозинтрифосфат (АТР) — образуется из аденозиндифосфата (ADP) за счет энергии, которая освобождается при окислении углеводов и жирных кислот.
От АТР, который при этом гидролизуется до ADP, энергия передается сокращающимся мышечным волокнам. В условиях же кислородного голодания АТР синтезируется в клетках мышц в результате менее эффективного анаэробного процесса — гликолиза.
В нормальной мышце гликолиз «включается» в моменты чрезвычайно большой мышечной нагрузки, например при спринтерском беге, езде на велосипеде или игре в теннис.
Однако долго работать за счет энергии гликолиза мышца не может: синтез АТР сопровождается образованием молочной кислоты, накопление которой приводит к утомлению мышцы и вызывает боль. По мнению исследователей из Оксфордского университета, вирусная инфекция каким-то образом «запускает» гликолиз без нужды, когда мышцам это вовсе не требуется. Более того, вступив на гликолитический путь, мышечная клетка еще долго не может переключиться на обычный тип обмена.
Радде и его коллегам удалось экспериментально зарегистрировать нарушение обменных процессов в мышце руки человека, который за четыре года до этого переболел ветряной оспой. После болезни пациент постоянно чувствовал себя усталым и страдал от мышечных болей, которые возникали даже при незначительных нагрузках. Выявить нарушения метаболизма ученым помог замечательный спектральный метод — ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
Возможность использования ЯМР- спектроскопии для изучения обмена веществ в живой ткани обусловлена тем, что многие атомы, например водород, углерод-13 и фосфор, которые обычны в органических молекулах, обладают магнитным моментом. В сильном внешнем магнитном поле ядра этих атомов ориентируются таким образом, что их магнитные моменты направлены вдоль силовых линий поля. В радиодиапазоне электромагнитных колебаний при определенной для каждого атома частоте происходит переориентация магнитного момента ядра от параллельного к антипараллельному. Этот процесс сопровождается резонансным поглощением электромагнитной энергии. По частоте поглощенного излучения можно идентифицировать различные элементы и соединения, а по интенсивности поглощения можно судить о количестве того или иного компонента.
Радда и его коллеги провели следующий эксперимент: руку больного помешали в ЯМР-установку и просили его сжимать резиновую грушу. Оказалось, что в клетках сокращающейся мышцы предплечья содержание ADP и фосфокреатина (вещества, за счет которого ADP превращается в АТР) соответствовало норме. Однако по мере работы мышцы в ней быстро накапливалось большое количество молочной кислоты.
Сейчас Радда и его коллеги с помощью ЯМР исследуют обменные процессы в работающей мышце у больных гриппом; в этом случае также обнаружено ненормальное накопление молочной кислоты.
Экстрактор генов
В арсенале молекулярных биологов появилось новое мощное орудие — фермент, способный разрезать ДНК клетки на отдельные гены. С помощью этого фермента можно значительно усовершенствовать процедуру выделения генов.
Новый фермент, на который ученые возлагают большие надежды, обнаружен в растениях маша (золотистой фасоли), поэтому и получил название нуклеазы из маша.
Уникальное свойство фермента — способность разрезать ДНК на отдельные гены — было впервые обнаружено Т. Мак-Катченом из Национального института аллергии и инфекционных заболеваний. Группа, возглавляемая Мак-Катченом, ведет совместные исследования с группой Л. Миллера (Национальные институты здоровья); их цель — создать вакцину против малярии.
В ходе работы потребовалось выделить из малярийного паразита “Plasmodium falciparum” белок клеточной поверхности спорозоита, так называемый белок “CS”. Оказалось, что для получения гена этого белка применение нуклеазы из маша имеет целый ряд преимуществ по сравнению с классическим методом, который основан на использовании информационной РНК (мРНК) в качестве матрицы для синтеза нужного гена.
Исследователи под руководством В. Инея и Р. Нуссенивейг из Медицинского центра Нью- Йоркского университета проклонировали ген, кодирующий белок “CS”, традиционным методом — используя мРНК.
Но поскольку спорозоиты невозможно вырастить в лабораторных условиях, накопление мРНК в количестве, достаточном для выделения гена, было и остается длительной и трудоемкой работой. Исследователям из Нью-Йоркского университета понадобилось два года, чтобы накопить мРНК для клонирования гена белка “CS”.
Нуклеаза из маша позволяет существенно ускорить получение гена белка "CS", так как фермент «вырезает» гены прямо из ДНК. А следовательно, нуклеазу можно применять для выделения белка “CS” на той стадии развития паразита, когда его можно культивировать в лаборатории. С помощью нуклеазы из маша Мак-Катчену и его коллегам удалось проклонировать ген белка “CS” примерно за восемь месяцев.
По мнению Мак-Катчена, нуклеаза из маша найдет широкое применение не только в научных исследованиях, но и в медицинской практике. Фермент можно использовать для того, чтобы получить полную «библиотеку» генов какого-нибудь организма. Удобен он и для исследования изменений в геноме, приводящих к нарушениям обмена веществ и другим патологиям.
В заключение Мак-Катчен отмечает:
«Нуклеаза из маша — необычайно интересный фермент. Узнав, как он работает, мы получим новую информацию о ДНК. Например, возможно, что сигнал к расщеплению полинуклеотидной цепочки ДНК по концам генов играет какую-то роль в регуляции экспрессии генов».
Пока неизвестно, способен ли фермент специфически расщеплять на гены ДНК многоклеточных организмов, ведь гены многоклеточных и одноклеточных устроены несколько по- разному. Учитывая большой интерес, который фермент представляет для научных исследований, можно надеяться, что этот и подобные ему вопросы будут решены в ближайшем будущем.
