РНК—НОСИТЕЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Изучение генетики микроорганизмов позволило открыть много новых явлений, в том числе было доказано, что у вируса табачной мозаики (ВТМ), поражающего растения рода Nico-tiana, наследственную информацию несет молекула РНК-

Доказано это было так. Кроме молекулы РНК, свернутой в виде спирали, вирус состоит еще из белковой оболочки. Если отделить белок от РНК, то он не обладает инфекционностью, в отличие от РНК, которая при нанесении на листья табака вы­зывает характерные для данного заболевания некротические пятна. Было показано, что можно в пробирке при определенных условиях, смешивая РНК и белок даже от разных вирусов, вос­станавливать вирусные частицы. Были взяты 2 штамма ВТМ и разделены на РНК и белок. В результате получили 4 компо­нента. Потом смешали их во всех возможных сочетаниях и получили 4 рода частиц: 2 исходные и 2 новые «гибридные», ко­торые имели РНК одного штамма, а белок другого. «Гибрид­ные» частицы ВТМ после заражения ими растений репродуци­ровали новые вирусные частицы. Интересно, что РНК этих син­тетических гибридов синтезировали только свой собственный белок, т. е. белок штамма, из которого была выделена РНК-После заражения восстановились лишь исходные штаммы ВТМ, а «гибридные» формы не воспроизводились.

Эти данные можно объяснить, очевидно, только тем, что на­следственную информацию, определяющую структуру белка, у ВТМ несет РНК.

Среди вирусов, паразитирующих в клетках животных и че­ловека, известны формы, имеющие не ДНК, а РНК (например, вирусы, вызывающие полиомиелит, энцефалит и др.).

*     *

*

Итак, открытия новых явлений (трансформация, трансдук-ция, наличие эписом) при изучении микроорганизмов значи­тельно расширили наши представления о материальных носи­телях наследственности и убедительно показали, что роль носи­теля наследственной информации в клетке играет ДНК независимо от ее организации (отдельные молекулы или хромо­сомы) и локализации (ядро или цитоплазма) в клетке. У неко­торых вирусов носителем наследственной информации может быть РНК.

Глава 16. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

После того как были получены убедительные данные в пользу того, что ДНК является носителем наследственной ин­формации, стало ясно, что специфическим компонентом гена является ДНК. И тогда встали вопросы: какова генетическая организация ДНК (первая функция гена как носителя наслед­ственной информации) и как ДНК определяет признаки и свой­ства организма в онтогенезе (вторая функция) ?

В центр генетических исследований был поставлен постулат Менделя — Моргана: «ген— признак-».

Значительный прогресс в понимании функции гена достиг­нут благодаря исследованиям, заложившим основы биохимиче­ской генетики. На многих микроорганизмах было показано, что большинство генов контролирует синтез специфических белков-ферментов: мутации генов выражаются прежде всего в измене­нии или потере активности соответствующих ферментов. У че­ловека, как уже было сказано в главе 13, такие заболевания, как алкаптонурия, фенилкетонурия и другие, также связаны с нарушением ферментативной деятельности вследствие мута­ций отдельных генов. Эти факты позволили Г. Бидлу и Е. Та-туму выдвинуть положение: «один ген — один фермент». В нас­тоящее время это положение следует понимать в том смысле, что для каждого белка существует ген, контролирующий его структуру и активность.

Под влиянием новых фактов были произведены дальней­шая конкретизация и уточнение этого положения. Так было по­казано, что в молеукле гемоглобина человека, состоящей из четырех цепей — двух а- и двух р-цепей, каждая цепь генети­чески контролируется отдельно. Этот и другие подобные ему факты позволили ввести более точный постулат: «один ген — одна полипептидная цепь». А сейчас попробуем уточнить, что именно в полипептидной цепи контролируется генетически. В случае тяжелого наследственного заболевания крови у че­ловека — серповидно-клеточной анемии в результате мутации происходит изменение свойств гемоглобина. При этом в моле­куле гемоглобина, состоящей из 574 аминокислотных остатков, происходит замена лишь одного: глутаминовая кислота заме­няется валином. Отсюда можно сделать вывод, что ген контро­лирует аминокислотный состав полипептидных цепей и белков.

1. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ДНК

Гипотеза последовательности. Как записана информация в ДНК? Для того чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить строение молекулы ДНК (гл. 2), с одной стороны, и строение белков, с другой стороны. В состав ДНК входят 4 основания (аденин и гуанин — пуриновые, тимин и цитозин — пиримидино-вые основания), определяющие ее специфичность. В состав бел­ков входят 20 аминокислот. Именно они, их последовательность в полипептидных цепях определяют не только первичную струк­туру, но и все последующие, вплоть до четвертичной структуры белковой молекулы, а следовательно, все разнообразие и спе­цифичность белков. Значит, можно предположить, что в после­довательности нуклеотидов в ДНК может быть записана на­следственная информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле.

Это положение было развито Ф. Криком в виде гипотезы последовательности.

Справедливость «гипотезы последовательности» была дока­зана, в частности, работами С. Яновского с сотрудниками. Ав­торы исследовали тонкую структуру локуса, контролирующего фермент триптофансинтетазу у Escherichia coli, и нашли девять мутаций, которые представляли собой изменения в последова­тельности нуклеотидов в молекуле ДНК. Изучение аминокис­лотной последовательности в белке-ферменте у мутантных форм показало, что она изменяется параллельно изменению последо­вательности нуклеотидов в ДНК, т. е. была доказана колинеар-ность гена и контролируемого им белка.

Но как именно записана, зашифрована наследственная ин­формация в ДНК? Впервые идея о том, что генетическая ин­формация закодирована * в генах, была высказана Д. Гамовым в 1954 г.

Основные черты генетического кода. В настоящее время благодаря усилиям генетиков, биохимиков, цитологов и других специалистов стали известны основные черты генетического кода.

Прежде всего код является триплетным, т. е. каждую амино­кислоту кодирует триплет оснований (кодон). Простой расчет показывает, что из четырех оснований по 3 можно создать 64 различные комбинации, что вполне достаточно для кодирова­ния 20 аминокислот. Но, кроме теоретических расчетов, Ф. Кри­ком с сотрудниками были получены прямые экспериментальные доказательства триплетности кода при изучении мутации г II фага Тц, поражающего кишечную палочку.

¹ Изображение одних объектов посредством других называется в кибер­нетике кодированием.

272

Обозначим сочетание из трех пар нуклеотидов как abc. Да­лее допустим, что такие триплеты повторяются последовательно в отрезке молекулы ДНК:

abc         abc         abc         abc . . .

Представим себе, что произошла мутация, например, вставка лишнего нуклеотида а (указано стрелкой), тогда весь после­дующий порядок «считывания» («текста») триплетов нару­шится, если код считывается слева направо тройками:

Ф abcaabcabcabc -+ abc   aab   cab   cab   с . ..

Допустим, что после этого где-то недалеко вправо от первона­чальной мутации возникла новая мутация, заключающаяся в выпадении одного какого-нибудь основания, например, с (ука­зано стрелкой):

У                 У                                                            У                                У

abcaabcab abc -»  abc  aab   cab  abc ...

В данном случае нарушение «текста» имеет место только на участке между двумя мутациями (указано стрелками), на. всем остальном протяжении сохраняется прежний порядок счи­тывания. Если данная часть гена, в которую входит несколько измененных триплетов, не выполняет какой-нибудь ответствен­ной функции, то можно представить, что нарушение кода на ка­ком-то небольшом участке не скажется заметным образом на конечном результате. Особи, несущие два таких изменения, бу­дут иметь фенотип, приближающийся к дикому типу, что и было показано экспериментально.

Если код действительно является триплетным, то комбина­ции двух вставок оснований (или двух выпадений), в отличие от предыдущего случая, должны всегда давать мутантный фе­нотип. Это также подтверждено экспериментально. Если у фага Г₄ дикого типа последовательность нуклеотидов (2-я строчка) и определяемых ими аминокислот (1-я строчка):

Лиз Сер Про Сер Лей Асп Ала AAA АГУ ЦЦА УЦА ЦУУ ААУ ГЦУ,

то при вставке двух нуклеотидов Г я У (отмечено скобкой) по­лучится следующая последовательность:

AAA АГУ "ГУЦ ЦАУ ЦАЦ УУА АУГ ЦУ Лиз Сер Вал Гис Гис Лей Mem.

В соответствии с этим изменится и аминокислотный состав белка (нижняя строчка), что и было зарегистрировано как му­тация.

I" Генетики с основами селекции                                                                         273

В случае триплетности кода комбинации трех вставок и вы­падений при достаточно близком расположении их друг около друга должны давать фенотип, приближающийся к норме, по­скольку в этом случае восстанавливается нормальный порядок считывания кода. Эти предположения также получили экспери­ментальное подтверждение при скрещивании определенных му­тантов фага 7V

Итак, результаты скрещивания во всех случаях соответство­вали заранее предсказанным, что и явилось подтверждением гипотезы о триплетности кода.

Как следует из предыдущих рассуждений, код является не­перекрывающимся, т. е. один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов. Это получило экспериментальное доказательство в только что упо­мянутых работах Крика. Однако были поставлены и прямые эксперименты, доказывающие это положение. С помощью азо­тистой кислоты у вируса табачной мозаики была получена му­тация, связанная с заменой только одного основания (цитозина на урацил). В белке, синтезируемом этим вирусом, было пока­зано изменение только одной аминокислоты.

Код, исходя из приведенных расчетов (64 кодона на 20 ами­нокислот), должен быть «вырожденным», т. е. одна и та же аминокислота должна определяться несколькими кодонами. Эти расчеты позволяют предположить также наличие «бессмыслен­ных» триплетов, т. е. таких, которые не кодируют ни одну из аминокислот. Эти предположения получили экспериментальные доказательства, о которых пойдет речь несколько позже.

Код характеризуется тем, что чтение его начинается всегда с определенного пункта. Экспериментальные доказательства этого также были получены Криком при исследовании реком­бинаций у мутантных фагов Г₄.

В экспериментах со вставками и выпадениями оснований было показано, что код считывается без запятых, т. е. если произойдет выпадение одного нуклеотида, то при считывании его место занимает ближайший нуклеотид из соседнего кодона, благодаря чему изменяется весь порядок считывания.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по расшифровке генетического кода, а потому постоянно идет конкретизация, уточнение, дополнение и даже исправление ра­нее высказанных положений.

2. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СИНТЕЗА БЕЛКА

Механизмы белкового синтеза. После того как были полу­чены сведения о коде, встал вопрос о том, какова же роль ДНК в синтезе белка?

274

ДНК несет в себе информацию для синтеза полипептидной цепи с определенной аминокислотной последовательностью, од­нако она не принимает непосредственного участия в синтезе белка. ДНК служит лишь матрицей для синтеза молекулы ин­формационной РНК (и-РНК) —первого продукта гена.

В настоящее время принято считать, что цепочки спирали ДНК неравнозначны: на одной из них зашифрована структура полипептида — она имеет смысловое значение, а другая, комп­лементарная ей, представляет собой так называемую антисмыс­ловую цепочку. Именно смысловая цепочка служит матрицей для синтеза (транскрипции) одиночной цепи и-РНК (см. рис. на стр. 256). Под контролем фермента РНК-полимер азы про­исходит переписывание кода смысловой цепочки ДНК на и-РНК, причем и-РНК комплементарна к смысловой цепочке ДНК. Это значит, если известна последовательность в одной цепи, то в другой ее можно вывести автоматически. Так, если кодон в ДНК, контролирующий синтез валина, ЦАА, то в и-РНК он будет ГУУ. Каждая молекула и-РНК существует в клетке не­сколько минут, после чего ген отпечатывает новые молекулы и-РНК- Молекула и-РНК поступает в цитоплазму, где и контак­тирует с рибосомами. Комплекс из и-РНК и рибосом носит название полирибосомы или полисомы. Именно на полисомах происходит синтез белка (трансляция).

Рибосомы представляют собой структуры, состоящие из вы­сокополимерной рибосомной РНК (р-РНК) и из белка. Роль р-РНК не выяснена. Каждая рибосома движется вдоль моле­кулы и-РНК, и тем временем растет полипептидная цепочка. Длина цепочки пропорциональна расстоянию, пройденному ри­босомой от начала молекулы и-РНК. Число аминокислот в та­ком белковом фрагменте равно числу триплетов, которые ус­пела «прочесть» рибосома.

Выстраивание аминокислотных остатков в соответствии с триплетами (кодонами) и-РНК осуществляется на рибосомах при помощи еще одного типа молекул РНК, а именно транс­портных РНК (т-РНК)- Т-РНК — низкополимерны, отдельная молекула состоит примерно из 70 нуклеотидов. В этой молекуле большинство водородных связей замкнуто благодаря компле­ментарному взаимодействию оснований. Согласно одной из мо­делей строения т-РНК предполагается, что молекула имеет форму, напоминающую клеверный лист, к «черенку» которого и присоединяется аминокислота. Соединение с аминокислотой, очевидно, обусловливается формой молекулы т-РНК. Сущест­вуют и другие модели. Так, согласно одной из них т-РНК пред­ставляет собой полинуклеотидный тяж, сложенный пополам и скрученный таким образом, что образовалась двойная спираль наподобие ДНК. В точке перегиба остаются три неспаренных нуклеотида, которые названы антикодонами. Именно триплет

антикодона т-РНК благодаря наличию незамещенных водород­ных связей может взаимодействовать с находящимся на рибо­соме триплетом кодона и-РНК. Другой конец молекулы т-РНК служит для соединения с аминокислотой. Независимо от строе­ния молекулы т-РНК каждый класс молекул может соеди­няться только с одной аминокислотой; следовательно, количе­ство разных типов молекул т-РНК должно быть не менее два­дцати. Это взаимодействие контролируют высокоспецифичные активирующие ферменты.

Итак, различные молекулы т-РНК приносят к рибосоме ами­нокислоты и располагают их соответственно последовательности триплетов и-РНК. Точность считывания генетической информа­ции зависит не только от того, какие кодоны проходят через рибосому, но в значительной мере и от состояния самой рибо­сомы. Стоит изменить структуру рибосомы, присоединив, к ней, например, молекулы антибиотика стрептомицина, или повысить концентрацию ионов Mg++ в окружающей среде, как генетиче­ский код, отпечатанный в и-РНК, начинает считываться непра­вильно: рибосома «читает» с ошибками, часто включает «не те» аминокислоты в полипептидную цепь. Именно с этим и связано инактивирующее действие стрептомицина на бактериальные клетки. В норме синтез белка идет без ошибок и с большой ско­ростью: 2 аминокислоты за 1 секунду. Молекула белка, состоя­щая из 150 аминокислот, синтезируется на одной полисоме приблизительно за 1,5 минуты.

Генетический контроль. Понимание основных моментов ме­ханизма белкового синтеза позволило моделировать этот про­цесс in vitro. Этому способствовало два биохимических откры­тия: получение бесклеточных систем, в которых может идти синтез белка, и ферментативный синтез искусственных полири-бонуклеотидов.

М. Ниренберг и Г. Маттэй в 1961 г. показали, что искусст­венно синтезированные полирибонуклеотиды определенного со­става, введенные в бесклеточную систему, содержащую рибосомы, полный набор аминокислот и некоторые ферменты, могут дей-' ствовать в ней в качестве и-РНК. Помещая искусственно син­тезированную информационную РНК, в состав которой входил только урацил (полиуридиловая кислота, поли-У), в бесклеточ­ную систему, полученную из Escherichia coli, удалось обеспе­чить синтез белка определенного состава. При анализе выпа­дающего в осадок полипептида выяснилось, что, несмотря на наличие в среде всех аминокислот, в его состав входила только одна аминокислота, а именно фенилаланин, т. е. полиуридило­вая кислота стимулировала синтез полифенилаланина. Тем самым была прочтена первая буква генетического кода: трип­лет урацилтурацил-урацил (УУУ), который контролирует вклю­чение в полипептидную цепочку аминокислоты фенилаланин.

276

К настоящему времени благодаря исследованиям М. Нирен-берга и других расшифрованы триплеты для всех аминокислот (табл. 13). Обратите внимание на то, что каждой аминокислоте соответствует несколько триплетов — кодонов, т. е. код вы­рожден.

Таблица 13 Список аминокислот и соответствующих им кодонов и-РНК

 

 

 

 

 

 

 

1-е	2-е	3-е основание
основа-	основание
ние		У	Ц	А	г
	У	Фен	Фен	Лей	Лей
У	ц	Сер	Сер	Сер	Сер
	А	" Тир	Тир	*	*
	Г	Цис	Цис	*	Три
	У	Лей	Лей	Лей	Лей
ц	Ц	Про	Про	Про	Про
	А	Гис	Гис	ГлуЫН2	ГлуЫН2
	Г	Apr	Apr	Apr	Apr
	У	Иле	Иле	Иле	Мет
А	Ц	Тре	Тре	Тре	Тре
	А	AcnNH2	AcnNH2	Лиз	Лиз
	Г	Сер	Сер	Apr	Apr
	У	Вал	Вал	Вал	Вал
Г	Ц	Ала	Ала	Ала	Ала
	А	Асп	Асп	Глу	Глу
	Г	Гли	Гли	Гли	Гли
Примечания. Кодоны и-РНК для аминокислот, известные
к 1968 г. Названия аминокислот даны в общепринятых сокращениях.
* Триплеты, которые не кодируют ни одну из аминокислот.

У нескольких триплетов, кодирующих одну и ту же амино­кислоту, два основания, как правило, общие, а третье может различаться, но чаще принадлежит той же группе (пуриновое или пиримидиновое). Кроме того, показано, что триплеты УАА, УАГ и УГА представляют собой «нонсенсы», т. е. не кодируют ни одну из аминокислот (по крайней мере для бактерий и фагов).

К настоящему времени проблема генетического кода уже почти решена, но на ее пути еще много трудностей.

В последнее время сделано открытие, имеющее большое об­щебиологическое значение: установлена известная универсаль­ность кода. Показано, что одинаковые триплеты кодируют

277

одинаковые аминокислоты в бесклеточных системах, получен­ных из различных организмов (бактерии, клетки млекопитаю­щих). Код оказался универсальным для вирусов, водорослей и морского ежа. Очевидно, код является одним из старых и кон­сервативных филогенетических механизмов.

Открытие генетического кода и синтеза белка in vitro поста­вило совершенно по-новому в науке вопрос о единстве живой природы. Это открытие представляет собой серьезный шаг на пути к овладению искусственным синтезом белка и тем самым к более глубокому познанию сущности живой материи.

Итак, ДНК — носитель наследственной информации в клетке. Реализация информации в онтогенезе происходит постоянно, но синтез и-РНК приурочен к определенному моменту в митотиче-ском цикле: к интерфазе, когда хромосомы находятся в де-спирализованном состоянии. Этот процесс удобно наблюдать в ооцитах на хромосомах типа «ламповых щеток», на гигант­ских хромосомах двукрылых при появлении деспирализованных участков — пуфов. Перенос наследственной информации от од­ного поколения к другому осуществляется ДНК в процессе де­ления клеток. В этом случае хромосомы находятся в состоянии плотной спирализации.

Однако было бы неправильно считать, что ДНК всемогуща. Ее репликация (удвоение) возможна лишь в клетке, где суще­ствуют ферменты, нуклеотиды и обязательно ДНК для за­травки, так как ей свойствен матричный механизм воспроизве­дения. Функционирование ДНК (синтез и-РНК) также воз­можно при наличии белков (ферментов) и исходных продуктов.

Специальными экспериментами показано, что в клетке су­ществуют гены, регулирующие скорость синтеза и самую воз­можность синтеза специфических белков-ферментов, т. е. в ко­нечном итоге регулирующие функционирование ДНК. Но этот вопрос находится еще в стадии исследования.

* *

Итак, наследственная информация закодирована в последо­
вательности нуклеотидов в молекуле ДНК и определяет после­
довательность аминокислот в полипептидной цепи. Синтез белка
происходит в рибосомах без непосредственного участия ДНК.
Информацию от ДНК к белку несет и-РНК (первый продукт
гена).                                                  -                                   -

Глава 17. ПРИРОДА ГЕНА

Существование гена как дискретной единицы наследственно­сти было постулировано Менделем. Морган, показал, что гены связаны с хромосомами. С помощью классических методов ге­нетического анализа были установлены следующие свойства гена.

Ген имеет основные свойства хромосом: способность к ре­дупликации—самовоспроизведению, сохранению относитель­ного постоянства и к закономерному распределению в митозе и мейозе.

Ген занимает определенный участок (локус) хромосомы и является предельной единицей рекомбинации, не разделяемой далее посредством кроссинговера.

Ген мутирует как единое целое и представляет собой еди­ницу наследственной изменчивости — мутации.

Ген функционирует как целая единица и определяет один элементарный признак в организме, клетке.

Указанное представление о гене как единице рекомбинации, мутирования и функции на раннем этапе существования гене­тики оказало положительное влияние на дальнейшее ее разви­тие. Позднее выяснилось, что ген является значительно более сложной единицей наследственности и изменчивости, чем это считалось раньше. Анализу современного представления о гене посвящается эта глава.

---

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 383; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!