Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   BOAI: наука должна быть открытой Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Генетика | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

Трансляция как способ существования живых систем, или в чем смысл "бессмысленных" кодонов
С. Г. ИНГЕ-ВЕЧТОМОВ
Санкт-Петербургский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ
После публикации Дж. Уотсоном и Ф. Криком [1] в 1953 году модели дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) прошло более 40 лет. Это открытие определило развитие биологии второй половины XX века. Вопрос о том, что и как записано в ДНК, ускорил расшифровку генетического кода. Осознание того, что гены - это ДНК, универсальный носитель генетической информации, привело к появлению генной инженерии. Сегодня уже студенты университетов расшифровывают чередование нуклеотидов в ДНК, соединяют гены разных организмов, переносят их между видами, родами и значительно более удаленными таксонами. На базе генной инженерии возникла биотехнология, которую известный фантаст С. Лем определил как использование закономерностей биогенеза в производстве.
Мы многое узнали о том, как читается генетический код в ходе синтеза белка, убедились, что в этом процессе участвует множество умных молекулярных машин, что у всех живых организмов этот процесс представляет собой некоторые "вариации на заданную тему". Увлечение принципом биологической универсальности породило в 70-х годах своего рода эйфорию - все стало как будто "понятно". Вскоре выяснилось, что радоваться рано, и внимание стали больше привлекать вариации, нежели заданная тема, поскольку эти вариации, по-видимому, составляют существенные характеристики биологического разнообразия. Здесь мы рассмотрим изменчивость и возможные причины эволюции некоторых участников синтеза белка.


ОДИН ГЕН - ОДИН ФЕРМЕНТ
Вспомним, что говорил о природе генов В.Л. Иоганнсен, человек, который в 1909 году дал само имя гена: "Свойства организмов обусловливаются особыми, при известных обстоятельствах отделимыми друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельными единицами или элементами в половых клетках, которые мы называем генами... В настоящее время нельзя составить никакого определенного представления о природе генов; мы можем лишь удовольствоваться тем, что подобные элементы действительно существуют" (цит. по [2]).
С тех пор ситуация существенно изменилась. Мы убедились, что, кроме атомов и молекул, в клетке ничего нет. И подчиняется она тем же физическим закономерностям, что и неживые объекты, в чем смогли убедиться физики, устремившиеся в биологию в 40-х годах именно в поисках каких-то принципиально новых, неизвестных физике законов природы [3]. Все реакции клеточного метаболизма осуществляются под контролем биокатализаторов - ферментов, структура которых записана в ДНК генов. Передается эта запись в цепи переноса информации ДНК -> РНК -> БЕЛОК.
Сначала информация, записанная в виде чередования дезоксирибонуклеотидов на одной из двух комплементарных цепей в ДНК гена, переписывается на одноцепочечную молекулу информационной рибонуклеиновой кислоты - иРНК (она же мРНК от англ. messenger - переносчик). Это процесс транскрипции. На следующем этапе по матрице иРНК строится последовательность аминокислотных остатков полипептида. Тем самым создается первичная структура будущей молекулы белка. Это процесс трансляции. Первичная структура определяет способ складывания молекулы белка и тем самым определяет ее ферментативную или какую-либо иную, например структурную или регуляторную, функцию.
Эти представления зародились в начале 40-х годов, когда Дж. Бидл и Э. Тейтум выдвинули свой знаменитый лозунг "Один ген - один фермент" [4]. Он, подобно политическим лозунгам, разделил научное сообщество на сторонников и противников высказанной гипотезы о равенстве числа генов и числа ферментов в клетке. Аргументами в возникшей дискуссии служили факты, полученные при разработке так называемых систем ген-фермент, в которых изучали мутации генов, определяли их расположение внутри генов и учитывали изменения ферментов, кодируемых этими генами: замены аминокислотных остатков в их полипептидных цепях, их влияние на ферментативную активность и т.д. Теперь мы знаем, что один фермент может быть закодирован в нескольких генах, если он состоит из разных субъединиц, то есть из разных полипептидных цепей. Знаем, что есть гены, которые вообще не кодируют полипептидов. Это гены, кодирующие транспортные РНК (тРНК) или рибосомные РНК (рРНК), участвующие в синтезе белка.
В своей первоначальной форме принцип "Один ген - один фермент" представляет скорее исторический интерес, однако заслуживает памятника, поскольку он стимулировал создание целой научной области - сравнительной молекулярной биологии гена, в которой гены - единицы наследственной информации фигурируют как самостоятельные предметы исследования.
Кроме того, разработка многочисленных систем ген-фермент помогла сформулировать вопрос: что и как записано в генетическом коде?


ЧТО И КАК ЗАПИСАНО В ГЕНЕТИЧЕСКОМ КОДЕ
На этот вопрос в общей форме ответил Ф. Крик со своими коллегами в 1961 году [5]. Оказалось, что код триплетен - каждая кодирующая единица-кодон состоит из трех нуклеотидов. В каждом гене триплеты считываются с фиксированной точки, в одном направлении и без запятых, то есть кодоны ничем не отделены друг от друга. Последовательность кодонов определяет последовательность аминокислотных остатков в полипептидах.
Как известно, оснований, которыми различаются нуклеотиды, всего четыре. В РНК это аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U) (T-тимин в ДНК), а обычных аминокислот, входящих в белки, - 20 (рис. 1). Следовательно, задача сводится к тому, чтобы четырьмя основаниями записать двадцать аминокислот. И отсюда следует, что код должен быть не менее чем триплетным, поскольку по одному основанию и даже по два (4 x 4 = 16) недостаточно, а по три даже много (4 x4 x 4 = 64). Сколько же кодонов из 64 имеют смысл, а какие бессмысленны? Соответствует ли каждой аминокислоте один или несколько кодонов?
Ответы на эти вопросы были получены к 1965 году, когда генетический код был полностью расшифрован [см. 6]. Удобнее всего представить код в круговой форме (рис. 1). Буквы в центре круга - первые буквы кодонов, вокруг расположены буквы, соответствующие второму положению в кодоне, и, наконец, третий круг - третье положение в кодоне. Четвертое кольцо образуют аминокислотные остатки, представленные в виде трехбуквенных сокращений. Во внешнем круге отмечены физико-химические свойства аминокислот, а именно являются ли они полярными (п) или неполярными (нп). Сразу видно, что каждой аминокислоте соответствует от одного (Met, Trp) до шести (Leu, Arg, Ser) кодонов, то есть код обладает свойством избыточности, или вырожденности (табл. 1).
Кодон для метионина одновременно служит инициатором - сигналом начала синтеза полипептида. Кодонов, не кодирующих аминокислот, оказалось всего три: UAA, UAG, UGA. Поначалу их назвали бессмысленными кодонами или нонсенсами (это название сохранилось в научном обиходе до сих пор), однако вскоре выяснилось, что они вовсе не бессмысленны, а представляют собой сигналы терминации синтеза белка. Действительно, в дальнейшем, когда начали расшифровывать нуклеотидные последовательности генов, убедились, что первый же встреченный на иРНК кодон AUG (Met) задает фазу последующего считывания троек, то есть служит той самой фиксированной точкой, с которой начинается считывание. Любой последующий AUG просто кодирует Met. В конце гена обязательно стоит UAA, или UAG, или UGA, а то и два нонсенса подряд.

Рис. 1. Генетический код в круговой форме. Внутренний круг - первая буква кодона, второй круг - вторая буква кодона, третий круг - третья буква кодона, четвертый круг - обозначения аминокислот в трехбуквенном сокращении (см. табл. 1). Остальные пояснения см. в тексте.


Знакомство с таблицей генетического кода позволяет заметить, что для кодирования большинства аминокислот существенны два первых основания, а третье может быть любым. Следовательно, мутации - замены оснований в третьем положении многих кодонов просто не будут проявляться. Кроме того, ограниченные возможности проявления имеют и мутации, приводящие к замене полярного остатка на полярный или неполярного на неполярный, поскольку они часто близки по своим физико-химическим свойствам. Если такие мутации и проявляются, то проявляются нечетко, то есть мутантный белок не полностью утрачивает свою активность, а лишь частично. Так могли возникать в эволюции так называемые полипептиды-синонимы, имеющие одинаковую укладку и ферментативную активность, но разную первичную структуру. Получается, что генетический код обладает высоким уровнем помехоустойчивости в том, что касается миссенс-мутаций, или мутаций, изменяющих смысл кодонов. Чаще всего проявляются те миссенс-мутации, которые приводят к заменам полярных остатков на неполярные и наоборот.
Принципиально иные возможности для проявления имеют превращения значащих кодонов в нонсенсы или нонсенс-мутации. Действительно, если миссенс-мутации могут изменить, а могут и не изменить структуру и активность полипептида, кодируемого данным геном, то нонсенс-мутации, блокирующие дальнейшую трансляцию данной иРНК, будут приводить к появлению лишь начальных (N-терминальных) фрагментов белка, лишенных ферментативной активности. Столь же высоки шансы на проявление у мутаций-сдвигов фазы считывания, которые возникают в результате вставки лишней пары нуклеотидов в ДНК гена или выпадения пары нуклеотидов. В этом случае фиксированная точка начала считывания остается неизменной, но, начиная с того места, где произошла вставка (выпадение), смысл всех кодонов будет изменен. Более того, рано или поздно вследствие сдвига считывания среди этих новых кодонов встречается один из трех нонсенсов со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Таблица 1. Аминокислоты, их условные обозначения (трех- и однобуквенные символы) и соответствующие им кодоны

Таким образом, вследствие специфической организации генетического кода кодонам-нонсенсам отводится особая роль - терминаторов трансляции. Поэтому, возникая мутационным путем, они, как и мутации типа сдвиг рамки считывания, проявляются значительно чаще и четче, чем мутации-миссенсы, изменяющие смысл кодонов.
Нонсенсы и сдвиги считывания часто встречаются в так называемых псевдогенах, которые были открыты в начале 80-х годов в результате изучения нуклеотидных последовательностей в геномах высших эукариот. Псевдогены очень похожи на обычные гены, но их проявление надежно "заперто" четко проявляющимися мутациями: сдвигами считывания и нонсенсами. Псевдогены представляют собой резерв эволюционного процесса. Их фрагменты используются при возникновении новых генов.

Далее...


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования