В 1940 г. Касперссон выдвинул общую теорию биосинтеза белка, которая в основном соответствует всем имеющимся в настоящее время данным.
Согласно его теории, генетическая информация, содержащаяся в ДНК ядра, передается ядрышку посредством основных нуклеогистонов, богатых аргинином и лизином. Затем ядрышко превращает эту информацию в рибонуклеопротеиды, которые в свою очередь индуцируют и направляют биосинтез белков при помощи ферментных систем цитоплазмы.
Одну из сторон этой теории, по-видимому, можно отбросить. Нуклеогистонам отводилась роль предшественников пуринов и пиримидинов, из которых построены рибонуклеопротеиды. Теперь благодаря применению изотопов установлено, что блоками, из которых строится РНК, служат такие простые вещества, как глицин, формиат и углекислота, а вовсе не основные аминокислоты. Однако не исключена возможность того, что нуклеогистоны служат агентами передачи информации, которые играют роль как бы негативных отпечатков, отражающих специфическую последовательность нуклеотидов в ДНК.
В связи с этим Уилкинс и его сотрудники высказали интересную гипотезу, что протамины и нуклеогистоны расположены вокруг двойной спирали из нитей ДНК. Это предположение, основанное на весьма предварительных результатах рентгеноструктурного анализа, согласуется с определенными данными о последовательности аминокислот, полученными Феликсом, Фишером и Крекельсом. Примерно одна треть аминокислотных остатков, входящих в состав протаминов, не обладает основными свойствами; для того чтобы все боковые основные цепи могли соединяться с фосфатными группами, эти аминокислотные остатки должны располагаться в складках полипептидной цепи. Анализ последовательности расположения аминокислот действительно показал, что неосновные остатки расположены парами, создавая возможность образования складок.
Какие имеются данные в пользу второй части теории Касперссона, согласно которой ядрышко связано с синтезом рибонуклеопротеидов цитоплазмы? Здесь мы сталкиваемся с множеством данных, часто противоречивых. Например, имеются данные, свидетельствующие о том, что некоторые безъядерные клетки продолжают синтезировать белки, т. е., иными словами, что цитоплазма в этом отношении автономна. Вместе с тем можно предположить, что рибонуклеопротеиды, синтезируемые в ядре и несущие генетическую информацию, обладают определенной «продолжительностью жизни» в клетке; продолжительность жизни этих рибонуклеопротеидов варьирует от одного вида к другому, причем синтез белка может продолжаться до тех пор, пока хоть какая-то часть этого материала способна функционировать.
Имеются две группы экспериментальных данных, непосредственно относящихся к этой проблеме. Первая группа данных, связанная с определением скорости включения различных предшественников нуклеиновых кислот и белков в рибонуклеопротеиды ядра и цитоплазмы, показывает, что эти вещества, находящиеся в ядре, подвержены гораздо более интенсивному обмену. Если вводить животному радиоактивный фосфор, то удельная активность ядерной РНК достигает гораздо более высокого уровня, чем активность цитоплазматической РНК. Кроме того, пик радиоактивности в ядерном материале достигается гораздо быстрее. Таким образом, хотя количество РНК, содержащееся в ядрышке, обычно относительно невелико по сравнению с количеством цитоплазматической РНК, однако скорость кругооборота РНК в ядрышке такова, что эта РНК может служить предшественником хотя бы части цитоплазматической РНК.
Вторая группа данных получена Фик и ее сотрудниками, применявшими метод радиоавтографии. Они наблюдали, что после введения радиоактивного глицина в овоциты крысы и морской звезды метка включается в ядерные белки значительно быстрее, чем в цитоплазматические. В овоцитах морской звезды особенно активным было ядрышко, хорошо выраженное в этих клетках. При выделении ядер из гомогенезированной ткани большая часть этой активности быстро вымывается.
Эти наблюдения соответствуют мнению, что цитоплазматические рибонуклеопротеиды происходят из ядра. Однако, как всегда, имеется и оборотная сторона медали. Например, Браше и Зафарц показали, что у ацетабулярии цитоплазматическая РНК продолжала включать предшественник пуринов — оротовую кислоту, несмотря на то, что ядро было предварительно удалено. Кроме того, Моулдейв и Гейдельбергер обнаружили, что рибонуклеиновые кислоты ядер, микросом и митохондрий обладают различными химическими свойствами, в частности различным соотношением между гетероциклическими основаниями и различной последовательностью нуклеотидов. Мы, конечно, еще очень далеки от ответа на вопрос о том, сколь велика роль ядра в непосредственном контроле над синтезом белка. Трудно решить, связаны ли известные нам сейчас противоречивые данные с существованием двух различных типов синтеза белка — ядерного и цитоплазматического, как предполагают Браше и другие, или же разноречивость экспериментальных данных объясняется наличием в безъядерных или вообще поврежденных клетках процессов, представляющих собой как бы предсмертные вздохи частично функционирующего, но тем не менее аномального механизма. Эта проблема породила ряд весьма интересных гипотез.
Результаты ряда недавно проведенных исследований как будто убедительно говорят в пользу второй точки зрения. Стич и Плаут исследовали способность ядерных и безъядерных фрагментов ацетабулярии к росту, синтезу белка и дифференцировке после воздействия на них рибонуклеазы. Полученные ими результаты показывают, что в отсутствие ядра и после разрушения РНК нормальный рост и синтез возобновиться не могут. Стич и Плаут предполагают, что ядерный продукт, способствующий восстановлению нормальных процессов в ядерных фрагментах, представляет собой РНК. Однако они подчеркивают, что это предположение касается не всей цитоплазматической РНК, а, возможно, лишь небольшой, но весьма важной ее фракции, выделяемой ядром. Если принять эту оговорку, то их наблюдения хорошо согласуются с упомянутыми выше результатами Моулдейва и Гейдельбергера, а также с результатами недавно проведенных исследований Мак-Мастер-Кэйе и Тэйлора. Эти авторы показали, что вещество, называвшееся «ядерной» РНК, можно разделить на ядрышковую и хромосомную фракции, причем лишь для первой из них характерен чрезвычайно интенсивный метаболизм. Начинает казаться, что ядрышко, как и предполагал Касперссон, играет очень важную роль в общем процессе биосинтеза белка.
Третий этап теории Касперссона связан с образованием цитоплазматических белков в результате процесса, зависящего от рибонуклеопротеидов, возможное происхождение которых мы только что обсуждали. В этой части мы как будто стоим на очень твердой почве, по крайней мере с точки зрения биохимии. Уже давно было известно, что скорость синтеза белка в данной ткани коррелирована с содержанием РНК в этой ткани. Исследования с использованием ультрафиолетовой микроскопии при обычных методах окраски препаратов уже довольно давно показали, что такие активно пролиферирующие ткани, как кончики корешков и клетки дрожжей, а также такие активно секретирующие клетки, как экзокринные клетки поджелудочной железы и печени, очень богаты РНК. Было также обнаружено, что при удалении ядра у амебы происходит резкое понижение содержания РНК, причем параллельно снижается и скорость включения меченых аминокислот.
Наиболее непосредственные доказательства важной роли РНК в синтезе белка получены при изучении изолированных клеточных частиц. Если ткани животного, которым была введена радиоактивная аминокислота, гомогенезировать и подвергнуть дифференциальному осаждению, то обнаруживается, что быстрее всего включают метку белки микросом. (Однако, оценивая данные, полученные при исследовании изолированных частиц вообще, следует иметь в виду наблюдения Фик. об экстрагируемости белков из изолированных ядер.) Разделение вещества микросом на произвольные фракции при помощи дифференциальной экстракции показало, что быстрее всего включают метку фракции с наиболее высоким содержанием РНК, тогда как в образцах, взятых позднее, радиоактивность быстро переходила в липопротеидный матрикс, к которому рибонуклеопротеид присоединен или в котором он растворен.
В процессе митоза эндоплазматическая сеть исчезает; то же самое происходит при голодании, о чем уже упоминалось выше. В связи с общей гипотезой Касперссона интересно, что так же ведет себя ядрышко, которое, как мы указывали, можно считать центральным местом синтеза рибонуклеопротеидов. Параллельное исчезновение и появление богатой рибонуклеопротеидами эндоплазматической сети, с одной стороны, и образующего рибонуклеопротеиды ядрышка — с другой, дает дополнительные косвенные доводы в пользу того, что эти два компонента клетки совместно участвуют в создании богатого информацией механизма биосинтеза белков в цитоплазме.