Природа генетического кода

В ходе трансляции кодоны мРНК "читаются" с фиксированной стартовой точки последовательно и не перекрываются. В записи информации отсутствуют сигналы, указывающие на конец одного кодона и начало следующего.

Кодон AUG является инициирующим и прочитывается как в начале, так и в других участках мРНК как Мет. Следующие за ним триплеты читаются последовательно без каких-либо пропусков вплоть до стоп-кодона, на котором синтез полипептидной цепи завершается.

2.6.Универсальность

До недавнего времени считалось, что код абсолютно универсален, т.е. смысл кодовых слов одинаков для всех изученных организмов: вирусов, бактерий, растений, земноводных, млекопитающих, включая человека. Однако позднее стало известно одно исключение, оказалось, что митохондриальная мРНК содержит 4 триплета, имеющих другое значение, чем в мРНК ядерного происхождения. Так, в мРНК митохондрий триплет UGA кодирует Три, AUA - Мет, а АСА и AGG прочитываются как дополнительные стоп-кодоны.

2.7.Колинеарность гена и продукта

У прокариотов обнаружено линейное соответствие последовательности кодонов гена и последовательности аминокислот в белковом продукте, или, как говорят, существует колинеарность гена и продукта.

Таблица 3. Генетический код

Примечания: U - урацил; С - цитозин; А - аденин; G - гуанин; * - терминирующий кодон.

У эукариотов последовательности оснований в гене, колинеарные аминокислотной последовательности в белке, прерываются нитронами. Поэтому в эукариотических клетках аминокислотная последовательность белка колинеарна последовательности экзонов в гене или зрелой мРНК после посттранскригщионного удаления интронов.

3 Организация  генетического  материала в хромосомах человека

Общая организация хромосом человека традиционна: в метафазе хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных между собой в-районе первичной перетяжки (центромеры). Центромера делит хроматиду на два плеча. Плечи могут быть равными, тогда хромосома называется метацентрической. Если одно плечо немного короче другого, то хромосомы именуются субметацентрическими. В нескольких парах хромосом человека одно плечо сильно короче другого, такие хромосомы носят название акроцентрических (рис. 7). Тонкая морфология хромосом зависит от фазы митоза. Наиболее сильно спирализованы хромосомы в мета- и анафазе.

Рис. 7. 22 пары аутосом и половые хромосомы человека, 
составляющие его кариотип

Вместе с морфологией хромосом изменяется в ходе митозе и морфология центромеры. Наиболее четко центромера выражена в виде более тонкого и светлого участка хромосомы к концу профазы. Центромеры выполняют в хромосомах очень важные функции. Они соединяют две сестринские хроматиды, велика также их роль в организации веретена деления. В районе центромеры в профазе формируется особая белковая структура, имеющая сродство к белкам микротрубочек веретена деления. Микротрубочки веретена деления соединяются с хроматидами в районе центромеры так, что на один центромерный район может приходиться более десяти микротрубочек. Очень важным моментом в прохождении митоза является синхронность одновременного разделения всех хромосом на две хроматиды. Считается, что ведущая роль в регуляции этого процесса также принадлежит центромерам.

Рассматривая общую морфологию хромосом, нельзя обойти вниманием их концевые участки, называемые теломерами. Концы хромосом - теломеры, имеют особенности в первичной и третичной структурах, но об этом речь пойдет несколько позже. Сначала ознакомимся с функциями теломерных районов. Когда деление клетки закончено и формируются новые клеточные ядра, то с помощью теломер хромосомы прикрепляются к внутренней ядерной мембране, в результате чего каждая хромосома в деспирализованном состоянии занимает в ядре строго определенное место. Помимо этого теломерные районы предотвращают слипание хромосом своими концами и препятствуют образованию дицентриков - хромосом с двумя центромерами, наличие которых свидетельствует о патологических картинах митоза. Одновременно теломеры стабилизируют хромосомы, защищая их от деградации клеточными нуклеазами - ферментами, катализирующими гидролиз всех незащищенных ДНК или их фрагментов. В последнее время стало известно еще одно назначение теломерных концов: благодаря им происходит полное завершение редупликации хромосом при подготовке клетки к делению. Среди ферментов, участвующих в удвоении ДНК, помимо уже известных ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы, геликазы, топоизомеразы, а также стабилизирующих белков, особое внимание следует уделить теломеразе, которая помогает завершить репликацию ДНК на отстающей цепи.

Принято считать, что каждая хроматида содержит одну из двух идентичных дочерних молекул ДНК, образующихся в процессе репликации. Молекула ДНК представляет собой непрерывную сверхскрученную двойную спираль, простирающуюся по всей длине хроматиды. Функционально эта нить подразделяется на большое число отрезков, соответствующих отдельным генам. Каждый ген несет информацию о первичной структуре отдельной полипиптидной цепи, рибосомной РНК, транспортной РНК или выполняет регуляторную функцию. Кроме того, в составе непрерывной нити ДНК, наряду со смысловыми генами, находятся многократно повторяющиеся одинаковые или сходные по составу нуклеотидные последовательности, выполняющие, вероятно, регуляторные или структурные функции.

Информация о первичной структуре полипептидов (последовательности аминокислот в них) записана в ДНК в виде трехбуквенного кода, составленного из первых букв названий четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК (АТГЦ). Каждой аминокислоте соответствует определенный триплет из трех соседних нуклеотидов. Например, аминокислоте фенилаланин в ДНК соответствует код он ААА, а аминокислоте серии - АГА. Из 64 возможных триплетов 61 кодирует 20 аминокислот, обнаруженных в составе клеточных белков, а 3 кодона являются стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи.

 
Рис. 8. Структурная организация типичной транскрипционной единицы

Если триплет, соответствующий метионину, стоит в начале цепи ДНК, то он выполняет функцию возбуждения считывания. (Кодоны, выполняющие сигнальные функции, называют нонсенс - кдонами). Генетический код вырожден, т. е. каждая аминокислота может кодироваться несколькими вариантами триплетов. Для осуществления синтеза полипептидов генетическая информация, закодированная в ДНК в составе хроматина, переписывается (процесс транскрипции) по принципу комплементарности азотистых оснований на информационную РНК, которая переходит из ядра в цитоплазму, где принимает участие в процессе трансляции: переводе информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, т. е. процессе синтеза белка. Каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота. Процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без знаков препинания и пропусков вплоть до нонсенскодонов. Положение первого кодона определяет границы рамки считывания. Генетический код человека не отличается по каким-либо параметрам от генетического кода любых других эукариотических организмов.

В пределах одного гена, который кодирует полипептид, участок молекулы ДНК подразделяется на функционально различные единицы (рис. 8). Отличительная черта строения многих генов эукариот - прерывистость структуры смысловой части. Смысловые участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке - экзоны, чередуются с участками некодирующих последовательностей - нитронами. Часто интроны по длине могут превосходить экзоны. Наличие избыточных последовательностей приводит к тому, что длина гена может быть в несколько раз больше, чем требуется для кодирования аминокислот в белке. Гаплоидный набор хромосом человека содержит 3,5 × 10 нуклеотидных пар, что по количеству соответствует примерно 1,5 млн. пар генов. Однако данные по изучению генома человека показывают, что организм человека имеет не более 100 тыс. генов. Это значит, что в клетках человека только 1% ДНК выполняет кодирующие функции. В отношении оставшихся 99% существуют разные гипотезы, обосновывающие их регуляторные и структурные функции.

 
Рис. 9. Основные этапы синтеза белка у эукариот

Для человека данные об экзонноинтронном строении генов впервые были получены для гена гемоглобина, а затем и для многих других генов. Это открытие стало возможным в конце 70-х гг. благодаря разработке метода синтеза комплементарных ДНК на матрице м-РНК с помощью обратной транскриптазы, а также благодаря освоению целого ряда методов генно-инженерной техники. В них входит разрезание генома с помощью рестриктаз на последовательности, соответствующие отдельным генам, выделение таких генов, встраивание их в векторные молекулы, внедрение векторов в клетки бактерий и клонирование там таких рекомбинантных молекул, что позволяет получать банки генов.

Процесс транскрипции на ДНК, как на матрице, связан с синтезом комплементарной последовательности РНК, включающей и интроны, и экзоны. Затем в ходе созревания РНК в ядре из нее удаляются интроны, а концы соседних экзонов сшиваются стык в стык. Процесс удаления последовательностей РНК, соответствующих нитронам, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов называется сплайсингом. Кроме того транскрибируемая молекула модифицируется добавлением метилированного Г-нуклеотида на 5'-конце (кэпирование) и поли-А последовательности на 3'-конце. Модифицированные участки играют важную роль в инициации белкового синтеза, защищают транскрипт т-РНК от деградации. Имеются данные, свидетельствующие о том, что поли-А конец участвует в транспорте зрелой м-РНК из ядра в цитоплазму и продлевает ее функционирование там. Весь суммарный процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом. Созревшая м-РНК выходит в цитоплазму, прикрепляется к рибосоме, где генетическая информация транслируется в белковую последовательность (рис. 9).

 
Рис. 10. Изменения в белке, происходящие при сдвиге рамки считывания

Большинство интронных последовательностей, по-видимому, не обладают специфическими функциями. Однако один и тот же транскрипт РНК может подвергаться сплайсингу по-разному, следовательно с одного транскрипта в ходе сплайсинга способны образоваться несколько различных РНК. Такой сплайсинг называется альтернативным. Альтернативный сплайсинг сообщает клетке дополнительную генетическую пластичность. Рассмотрим это явление на примере белка фибронектина.

В плазме крови человека присутствует белок фибронектин. Он синтезируется клетками печени и выделяется в кровь. Этот же белок может синтезироваться клетками соединительной ткани, эндотелиальными клетками, выстилающими кровеносные сосуды, и некоторыми другими типами клеток. В этом случае фибронектин в нерастворимой форме накапливается в межклеточном пространстве. Функции фибронектина многоплановы: он играет роль в поддержании гомеостаза, в процессах тромбоза, миграции и дифференцировки клеток сосудов, в развитии атеросклеротических бляшек в сосудах. Известно много вариантов фибронектина, он обладает ткане- и возрастной специфичностью. Показано, что варианты фибронектина образуются с одного геномного транскрипта за счет альтернативного сплайсинга. Вариации м-РНК-последовательностей фибронектина связаны с присутствием или отсутствием по крайней мере двух интронов.

Известные вариации иммуноглобулинов также в значительной мере обеспечиваются процессом созревания новосинтезированных гигантских м-РНК в ядре.

В начале каждого гена, до его смысловой части, представленной экзонами, находятся участки, которые обеспечивают регуляцию работы гена. К числу регуляторных участков, одинаковых для всех генов, относятся ТАТА-последовательности (рис. 8), где чередуются тимин и аденин ("ТАТА-БОКС"). Этот участок лежит на 30 нуклеотидов левее места начала считывания гена. Установлено, что РНК-полимераза, фермент осуществляющий транскрипцию, так ложится на ДНК, что ее опознающая часть закрывает "TATA-БОКС", а ее активный центр оказывается над первым считываемым нуклеотидом. Далее по длине гена следует промоторный участок, который способствует правильной установке рамки считывания нуклеотидов, поскольку процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Иногда изменения рамки считывания могут происходить из-за выпадения или добавления одного или нескольких нуклеотидов, тогда при последующей сборке белка в нем будет нарушена последовательность аминокислот. Такая ситуация получила название мутации со сдвигом рамки (рис. 10).

За промоторным участком следует палиндром ("перевертыш"), или инвертированный повтор. Этот участок ДНК одинаково читается в обоих направлениях и имеет центральную точку, относительно которой последовательность остается одинаковой в обеих цепях ДНК. Следовательно, такой участок ДНК имеет две оси симметрии: вдоль и поперек. Важное свойство палиндромов - возможность образовывать шпильки в РНК или структуры креста в ДНК за счет комплементарного взаимодействия не между двумя нитями ДНК, а между нуклеотидами каждой цепи. В результате этого палиндром ДНК превращается в крест, что делает невозможным дальнейшее продвижение фермента РНК-полимеразы, и процесс транскрипции прекращается, если рамка считывания установлена неверно.

В последнее время описаны специфические регуляторы работы некоторых генов - энхансеры. Они расположены впереди гена на расстоянии в сотни и тысячи нуклеотидных пар от него. У эукариот существуют специальные регуляторные белки, опознающие энхансер и присоединяющиеся к нему, в результате чего происходит активация работы гена.

По данным разных авторов, содержание ДНК в диплоидной клетке человека составляет примерно 7,3 × 10−12г, что соответствует 7,1 × 109 нулеотидных пар. Каждая молекула ДНК гетерогенна по своему составу. В ней встречаются участки с уникальной последовательностью азотистых оснований, которые несут информацию для большинства белков клетки. В то же время в ней встречаются последовательности нуклеотидов, многократно повторяющиеся в геноме в составе этой же или других молекул ДНК. Такие повторяющиеся последовательности подразделяют на два класса. Первый - умеренно повторяющиеся последовательности с числом повторов от 102 до 105 на геном. На их долю приходится примерно четверть ДНК, и они представляют собой блоки истинных генов, как, например, гены гистонов (рис. 11). К этому же классу умеренных повторов относятся короткие последовательности, которые не кодируют белки, они разбросаны по всему геному, а их длина соответствует примерно 300 н.п (нуклеотидных пар). Второй класс - часто повторяющиеся последовательности, или сателлитные ДНК, число повторов которых на геном превышает миллион (1×102) раз. Это нетранскрибирующиеся участки ДНК, на которых не идет образование РНК.