Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посмотрите новые поступления ... Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Генетика | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

В начало...

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

КТО ЧИТАЕТ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД, ИЛИ ЖИЗНЬ ЕСТЬ СПОСОБ СУЩЕСТВОВАНИЯ АППАРАТА БЕЛКОВОГО СИНТЕЗА
Синтез белка или трансляция - это центральное событие в жизни клетки (рис. 2). Само представление о дискретных единицах генетической информации существует благодаря трансляции нуклеотидных последовательностей иРНК, ограниченных кодонами: инициатором и терминатором. Считывание таких последовательностей приводит к появлению в клетке дискретных молекул белка. Этот процесс обставлен в клетке весьма сложно (см., например, [6]). В трансляции каждого гена участвуют несколько сот разных молекул белков и нуклеиновых кислот.

Рис. 2. Общая схема процесса трансляции. Пояснения в тексте.


1. Транспортные РНК (тРНК) состоят примерно из 70 нуклеотидов. Каждая тРНК имеет акцепторный конец, к которому присоединяется аминокислотный остаток, и адаптерный конец, несущий тройку нуклеотидов, комплементарную какому-либо кодону иРНК (см. рис. 2), потому этот триплет назвали антикодоном. Первый и второй нуклеотиды кодона строго следуют правилам комплементарности (A - U; G - C) при взаимодействии с соответствующими нуклеотидами антикодона, а вот взаимодействие с третьим нуклеотидом кодона позволяет себе некоторую нестрогость, неоднозначность спаривания. Благодаря этой неоднозначности каждое семейство кодонов для одной аминокислоты, различающихся по третьему нуклеотиду, может "обслуживаться" одним антикодоном. С учетом этих правил для считывания всей кодовой таблицы достаточно всего 31 тРНК. Тем не менее все не так просто, и уже у бактерий есть 45 разных тРНК. Их кодируют 78 генов. У дрожжей этих генов уже 400, у мушки дрозофилы - около 750, а у лягушки - уже примерно 8000, то есть получается, что одну молекулу тРНК могут кодировать несколько одинаковых или очень близких по структуре генов, и чем "дальше" в эволюции, тем больше таких генов для кодирования одинаковых тРНК.
2. Аминоацил-тРНК синтетазы - ферменты, которые активируют аминокислоты и нагружают ими тРНК. Каждая синтетаза (их должно быть не меньше 20) узнает только свою аминокислоту и навешивает ее на свою тРНК.
3. Рибосома играет роль организующего центра в чтении генетической информации. Это молекулярная машина, построенная по единой схеме у всех организмов с некоторыми вариациями. Она состоит из двух рибонуклеопротеидных субчастиц: малой и большой. В состав малой субчастицы у бактерий, например, входит молекула рибосомной РНК (рРНК) длиной ~1500 нуклеотидов плюс еще одна небольшая молекула рРНК (110-120 нуклеотидов) и 21 разный белок. В состав большой субчастицы - одна молекула рРНК длиной ~ 2700 нуклеотидов плюс 32 разных белка. Если каждый белок рибосом обычно закодирован в одном гене, то для кодирования рРНК характерна большая генная избыточность. Так, например, у кишечной палочки каждую молекулу рРНК кодируют 7 генов, а у дрожжей - несколько сот генов.
На рибосоме происходит взаимодействие иРНК с тРНК и синтезируется белок. При этом "руководит" образованием пептидных связей между аминокислотными остатками сама рибосома.
4. Факторы трансляции. Это понятие объединяет семейство белков, которые не входят в состав рибосомы постоянно, но взаимодействуют с ней на разных этапах трансляции. Рассмотрим их на примере бактерий:
а) факторы инициации (их 3: IF-1-IF-3); они обеспечивают начало всего процесса трансляции: объединение рибосомы и иРНК, отвечают за взаимодействие кодона AUG на рибосоме со специальной инициирующей тРНК;
б) факторы элонгации (их тоже 3: EF-Tu, EF-Ts, EF-G) обеспечивают связывание антикодонов заряженных тРНК с соответствующими кодонами иРНК на рибосоме и продвижение рибосомы вдоль матрицы - иРНК;
в) факторы терминации; считается, что не существует тРНК, специфичных для трех кодонов-терминаторов: UAA, UAG, UGA; их опознают и с ними взаимодействуют специальные белки (их опять же 3: RF1-RF3); при этом RF1 узнает UAA и UAG, а RF2 - UAA и UGA; RF3 не имеет кодоновой специфичности и взаимодействует с RF1 и RF2, делая процесс терминации более эффективным и зависимым от энергии расщепления ГТФ. Аппарат трансляции у эукариот несколько сложнее: и белков в рибосоме побольше, и факторов трансляции побольше, например одних факторов инициации не меньше десяти. Тем не менее общая схема его строения принципиально та же, что и у бактерий.
Аппарат синтеза белка является мощным фактором объединения действия всех генов клетки: и тех, что кодируют белки-ферменты, и тех, что кодируют различные типы РНК: тРНК, рРНК. Продукты всех генов клетки раньше или позже проходят через трансляционную машину.

Таблица 2. Отклонения от "универсального" генетического кода. Примечание. A* - модифицированный аденин.

ИСКЛЮЧЕНИЯ ИЗ ПРАВИЛ
Как видим, роли участников процесса трансляции расписаны четко (см. рис. 2), а правила их поведения диктуют таблица генетического кода (см. рис. 1) и специфичность Уотсон-Криковских взаимодействий: A-U(T), G-C. Одним из важнейших свойств генетического кода сначала считалась его универсальность. По мере расширения круга объектов молекулярной генетики накапливались исключения, сделавшие код "квазиуниверсальным" (табл. 2).
Не меньший повод для размышлений давало изучение внутривидовой изменчивости в считывании некоторых кодонов, прежде всего нонсенсов. Оказалось, что нонсенс-мутант, то есть мутант, у которого в результате прямой мутации в каком-либо гене возник нонсенс-кодон в "неположенном месте", может ревертировать к норме не за счет обратной мутации, а за счет супрессорных мутаций, или супрессоров.
Супрессорами называют мутации, которые подавляют фенотипическое проявление прямой мутации. При этом важно, что исходная, прямая мутация сохраняется неизменной. Из всего разнообразия по механизму действия супрессоров нам особенно интересны трансляционные или информационные супрессоры, которые представляют собой мутационные изменения в генах, кодирующих различные компоненты аппарата трансляции.
Вновь следует отметить, что лучше всего изучена трансляционная нонсенс-супрессия по той же причине, о которой мы уже говорили ранее: мутантные нонсенс-кодоны проявляются четко. Поэтому и восстановление нормы при нонсенс-супрессии исследовать значительно легче, чем при миссенс-супрессии. Тем не менее о миссенс-супрессии тоже кое-что известно, а результаты исследования нонсенс-супрессии как модельной системы представляют большую ценность для понимания генетического контроля аппарата трансляции. Какие же известны трансляционные гены-супрессоры?
1. Гены, кодирующие тРНК. Уже в период расшифровки генетического кода С. Бензер и С. Чеймп обнаружили, что мутации некоторых генов бактерии кишечной палочки Escherichia coli могут приводить к "осмысливанию" нонсенсов. Одна такая супрессорная мутация подавляет проявление нонсенса, например UAA, в каком бы гене он ни появлялся мутационным путем. При этом, как выяснилось довольно скоро, в клетке появляется тРНК с антикодоном AUU, комплементарным нонсенсу UAA. Напомним, что в норме в клетке не должно быть таких тРНК, а появляются они за счет изменения антикодона какой-либо тРНК, который отличался от антикодона AUU всего одним нуклеотидом, например: CUU(Gln) ё AUU, GUU(Glu) ё ё AUU, AUA(Tyr) ё AUU и т.д. Все эти варианты теперь легко вычислить, пользуясь таблицей генетического кода. В скобках указаны аминокислоты, которые подставляют соответствующие тРНК. Также возникают нонсенс-супрессорные мутации для кодонов UAG и UGA.
Супрессорная тРНК с новым для нее антикодоном перестает узнавать "свой" кодон и узнает нонсенс. К счастью, каждую тРНК обычно кодируют несколько генов, поэтому, если один из них станет супрессором, остальные продолжают выполнять прежние функции и клетка не погибает. При такой нонсенс-супрессии, конечно, несколько нарушается нормальная терминация синтеза полипептидов, но и в этом случае существует страховка от слишком большого вреда. Нуклеотидное окружение каждого нормального нонсенса, то есть терминатора трансляции в конце молекулы иРНК, подобрано так, что оно предпочтительно взаимодействует с белком-фактором терминации, а не с мутантной нонсенс-супрессорной тРНК.
2. Гены, кодирующие белки рибосом. Как выяснил в середине 70-х годов Л. Горини, в рибосоме существует специальный центр Ram, отвечающий за так называемую рибосомную неоднозначность (Ribosomal ambiguity). Если мутации затрагивают гены, кодирующие белки рибосомы, входящие в этот центр неоднозначности, рибосома начинает ошибаться и читает нонсенсы как значащие кодоны, что и выражается в нонсенс-супрессии.
3. Гены, кодирующие рибосомные РНК. В дальнейшем выяснилось, что и рРНК тоже вносит свой вклад в рибосомную неоднозначность. Некоторые мутации в генах, кодирующих эти гигантские молекулы РНК, приводят к осмысливанию нонсенсов.
4. Гены, кодирующие фактор элонгации EF-Tu, у бактерий или его гомолог EF-1a у эукариот, например, у дрожжей, также могут играть роль нонсенс-супрессоров. Мутации в этих генах (как в бактериальном, так и в дрожжевом геномах имеется по два одинаковых гена для этого фактора) приводят к супрессии. Более того, оказалось, что кодируемый ими фактор элонгации отвечает за правильный отбор на рибосоме заряженных аминокислотами тРНК в процессе трансляции. Если кодон иРНК ошибочно свяжет "не свой" антикодон, EF-Tu, затратив энергию ГТФ, выбросит неподходящую аминоацил-тРНК вместо того, чтобы использовать принесенную ею аминокислоту для наращивания полипептидной цепи. Это явление получило название рибосомной коррекции (рис. 3).

Рис. 3. Схема участия фактора элонгации EF-Tu в элонгации (включении аминокислотного остатка в растущую полипептидную цепь: 1, 2, 4) и рибосомной коррекции (1, 2, 3). иРНК - информационная РНК; аа-тРНК - аминоацил-тРНК; Рс - рибосома; ГТФ - гуанозинтрифосфат; ГДФ - гуанозиндифосфат.


5. Гены, кодирующие факторы терминации трансляции. Мутации в трех генах, кодирующих белковые факторы терминации, известные сегодня, также могут приводить к нонсенс-супрессии. Это справедливо и для бактерий и для дрожжей (см. [7]). Еще более экзотический пример нонсенс-супрессии мы обнаружили, когда усилили у дрожжей-сахаромицетов экспрессию гена SUP35, кодирующего фактор терминации eRF3 (являющийся аналогом бактериального RF3): усиленная экспрессия этого нормального гена приводила к супрессии всех трех нонсенсов [8]. О гене SUP35 дрожжей мы рассказывали в предыдущей статье [9]. Оказывается, кроме основной части этого гена, кодирующей фактор терминации, в начале его есть участок, кодирующий дополнительный, - N-терминальный пептид. Если усилить экспрессию гена SUP35, лишенного этого дополнительного участка, то супрессии нонсенсов не происходит. Более того, считывание нонсенсов становится даже более точным, и нонсенс-супрессия, вызванная другими мутациями, например в генах тРНК, ослабевает. Получается, что продукт гена SUP35 у дрожжей представляет собой нечто вроде природного мутантного аналога фактора терминации. Почему фактор терминации eRF3 у дрожжей приобрел в эволюции такие необычные свойства, остается загадкой.
О миссенс-супрессии известно значительно меньше. Твердо установлен факт миссенс-супрессии как следствие мутационного изменения антикодона тРНК, когда мутантная тРНК начинает узнавать чужой кодон. Другие механизмы практически не исследованы.
Возвращаясь к нонсенс-супрессии, отметим, что механизм супрессии, когда в клетке появляются тРНК с новыми антикодонами, комплементарными нонсенсам, представляется вполне логичным. Все остальные механизмы понять не так просто исходя из правил считывания кода. Действительно, откуда же берутся тРНК с нужными антикодонами, если мутации затрагивают совсем другие компоненты аппарата трансляции: белки рибосом, рибосомные РНК, факторы элонгации и терминации. Это сомнение в особенности справедливо для тех случаев, когда супрессорные мутации частично инактивируют факторы терминации. Казалось бы, что это должно приводить к менее эффективному завершению синтеза полипептида, но факт прочтения нонсенса как смыслового кодона отсюда вовсе не следует.
Кажущееся противоречие разрешилось, когда в геномах многих организмов - от бактерий до человека - начали обнаруживать гены и соответственно кодируемые ими тРНК, которые обусловливают нестандартное чтение кодовой таблицы. У бактерий, например, нашли тРНК, читающую кодон UUU(Phe) как кодон для лейцина, у дрожжей - тРНК, читающие нонсенсы UAA и UAG как кодоны для глутамина, причем антикодоны их вовсе не были комплементарны считываемым кодонам. Важно подчеркнуть, что это были совершенно нормальные, немутантные клетки и организмы.
Оказывается, природа предусмотрела возможность неоднозначной трансляции, которую в нормальной ситуации мы просто не замечаем благодаря рибосомной коррекции. Если сюда добавить все, что мы узнали о мутационной изменчивости трансляции, то, пожалуй, можно догадываться, что именно таким путем возникли вариации в считывании кода, которые представлены в табл. 2.
Более того, некоторые альтернативы в чтении кода оказались узаконенными в норме. Так, нонсенс UGA у самых разных объектов кодирует необычную аминокислоту - селено-цистеин, но только если этот кодон оказывается в определенной точке гена. Известно, что частицы РНК-содержащего бактериофага не проявляют инфекционности по отношению к клеткам E. coli, если с частотой 3% не происходит прочтения нонсенса в конце гена, кодирующего белок его оболочки. При трансляции гена, кодирующего обратную транскриптазу, необходимую для репликации ДНК по матрице РНК у вируса СПИД или ряда онкогенных вирусов, происходит закономерный сдвиг считывания: рибосома перепрыгивает один нуклеотид. В противном случае этот фермент не образуется, и репликация вирусного генома невозможна. Известны и более далекие прыжки рибосомы - в несколько десятков (а по предварительным данным, в несколько сот) нуклеотидов.


ЗНАЧЕНИЕ ФЕНОТИПИЧЕСКОЙ СУПРЕССИИ

Приведенные примеры показывают, что даже сами правила считывания генетического кода могут быть нарушены, если это нужно для оптимальной экспрессии генов. Наши знания о синтезе белка все еще недостаточны для окончательных суждений о том, как и для чего возникали и закреплялись в эволюции вариации в считывании кода.
В то же время известно, что многие неблагоприятные факторы внешней среды, например: слишком высокая концентрация ионов двухвалентных металлов, понижение температуры, голодание по аминокислотам и др., приводят к повышению неоднозначности трансляции и тем самым к супрессии нонсенсов. Подчеркнем при этом, что в данном случае супрессорные мутации не происходят и при возвращении условий среды к норме супрессия исчезает. Поэтому такое явление и получило название фенотипической супрессии в отличие от случаев генотипической супрессии, которые мы рассматривали до сих пор.
Вспомним, что ранее мы говорили о существовании псевдогенов, запертых мутациями сдвига считывания или нонсенс-мутациями.
Можно предполагать, что явление фенотипической супрессии служит способом проверки работоспособности резервов эволюционного процесса: не накопили ли псевдогены каких-нибудь полезных мутаций, помогающих выживанию в неблагоприятных условиях? Если бы это случилось, то последующий мутационный процесс мог бы их вновь активировать, а естественный отбор закрепить как гены, полезные для выживания клетки в новых условиях существования.
Насколько эта гипотеза справедлива, предстоит узнать в дальнейшем. В действительности это предположение не представляет собой чего-то принципиально нового по сравнению с гипотезой В.С. Кирпичникова о роли модификаций в эволюции, высказанной им еще в конце 30-х годов. Согласно предположениям В.С. Кирпичникова, модификационная, то есть ненаследственная, изменчивость, возникающая под влиянием условий существования, служит своеобразной пробой нормы реакции организма, способен ли он в принципе существовать в новых условиях или нет. Если организм может приспособиться к условиям среды за счет модификаций и эти условия будут сохраняться в течение длительного ряда поколений, то в игру вступают мутационный процесс и отбор, которые создадут и закрепят наследственные изменения, благоприятные для выживания организма. Наше предположение только конкретизирует гипотезу В.С. Кирпичникова с учетом того, что мы знаем теперь о молекулярных механизмах чтения генетического кода и возможных вариациях в этих механизмах.
Излишне говорить, что эти предположения не имеют ничего общего с наивным ламаркизмом, предполагающим возможность наследования модификаций или наследственного закрепления так называемых благоприобретенных признаков.
Факты, представленные в статье, должны проиллюстрировать непреложное правило, согласно которому вездесущий мутационный процесс и не менее вездесущая модификационная изменчивость затрагивают любые гены и любые генные продукты, в том числе гены (и генные продукты), контролирующие считывание генетического кода. Этот процесс, точность которого, казалось бы, является условием самого существования живых систем, тем не менее происходит небезошибочно. Мы хотели показать, что и сама неоднозначность генетического кодирования подчиняется определенным правилам и клетка не только умеет противостоять ошибкам кодирования, но и может извлекать из них пользу в своем существовании и эволюции.

ЛИТЕРАТУРА
1. Уотсон Дж. Двойная спираль. М.: ИЛ, 1968.
2. Гайсинович А.Е. Зарождение и развитие генетики. М.: Наука, 1988. 219 с.
3. Шрёдингер Э. Что такое жизнь? М.: Атомиздат, 1972.
4. Лауреаты Нобелевской премии (Дж. Бидл, Э.Л. Тейтум). М.: Прогресс, 1992.
5. Крик Ф., Барнетт Л., Бреннер С., Уоттс-Тобин Р. В кн.: Молекулярная генетика. М.: ИЛ, 1963. С. 33-50.
6. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994.
7. Инге-Вечтомов С.Г., Миронова Л.Н., Тер-Аванесян М.Д. // Генетика. 1994. Т. 301. С. 1022.
8. Чернов Ю.О., Деркач И.Л., Дагкесаманская А.Р. и др. // Докл. АН СССР. 1988. Т. 301. С. 1227.
9. Инге-Вечтомов С.Г. Цитогены и прионы: цитоплазматическая наследственность без ДНК? // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N 5. С. 11-18.
* * *
Сергей Георгиевич Инге-Вечтомов, доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент РАН, зам. председателя Президиума С.-Петербургского научного центра РАН (с 1989 года), президент Вавиловского общества генетиков и селекционеров (c 1992 года), зав. кафедрой генетики и селекции С.-Петербургского государственного университета. Область научных интересов: общая и молекулярная генетика - генетический контроль синтеза белка и точности считывания генетического кода, генетика микроорганизмов (дрожжей), экологическая генетика. Автор более 200 печатных работ в отечественных и международных изданиях, в том числе "Введение в молекулярную генетику", "Генетика с основами селекции" (учебников для университетов).


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