Свойства генетического кода

1. 
   Генетический код универсален — един для всех организмов (вирусов, бактерий, растений, животных и человека).
   
2. 
   Код триплетный. Местоположение каждой аминокислоты кодируется сочетанием строго определенных трех нуклеотидов в мРНК, образующих один специфический кодон.
   
3. 
   Код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколь­кими (от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются одним триплетом — метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).
   
4. 
   Код неперекрывающийся. Нуклеотидная последовательность считывается подряд в одном направлении — от 5' к 3', триплет за триплетом.
   
5. 
   Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5', является инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится в середине мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин.
   
6. 
   Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА («опал») являются терминаторами (стоп-сигналами) синтеза. Когда считывание генетической информации в мРНК доходит до одного из этих кодонов, дальнейший синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы.
   

Следовательно, в каждой клетке в молекулах ДНК закоди­рована вся генетическая информация, которая может быть реа­лизована в онтогенезе через биосинтез в виде биохимических процессов, физиологических свойств и морфологических при­знаков.

Регуляция активности генов. Изучение химического состава клеток, полученных из разных тканей одного многоклеточного организма, показывает, что каждая из них содержит разный, относительно небольшой набор белковых молекул, хотя все они имеют одинаковый набор хромосом и, следовательно, единую генетическую информацию. Так, у бактерии E. coli в одной клет­ке в различные периоды ее жизнедеятельности комплекс фер­ментов бывает разный. Все это дало основание предположить, что в клетке имеется механизм, регулирующий активность ге­нов, определяющий, какие гены в данный момент должны быть активными и каким следует находиться в неактивном, репрес­сированном состоянии.

Механизм регуляции генетического кода был открыт фран­цузскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на бакте­риях Е. coli и получил название механизма индукции-репрес­сии. Было установлено, что синтез соответствующих белков — ферментов — индуцируется веществом, служащим субстратом для данного фермента и необходимым для нормальной жизне­деятельности клетки. Так, например, для нормальной жизнедея­тельности Е. coli необходим молочный сахар (лактоза) и в ее геноме содержатся гены, контролирующие синтез ферментов, гидролизующих лактозу до простых соединений. Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены пребывают в репрессированном состоянии и не функционируют. Внесенная в среду лактоза будет тем индуктором, который вклю­чает в работу данные гены, и в клетке начинается синтез фермен­тов, гидролизующих лактозу до более простых соединений. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов пре­кращается (рис. 39).

Роль репрессора может выполнять и ве­щество, синтезируемое в клетке, если содержание его превыша­ет норму. Например, если синтезируются нуклеотиды, амино­кислоты, и другие вещества и содержание их превышает коли­чество, необходимое данной клетке, каждое из них может быть репрессором и подавлять работу генов, синтезирующих фер­менты, необходимые для данного биохимического процесса.

Механизм индукции-репрессии обеспечивает включение (ин­дукцию) в работу тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается (репрессируется), когда деградируемый данными ферментами субстрат израсходован или когда синте­зируемое данными ферментами вещество находится в избытке. У высших организмов процесс регуляции работы генов осуще­ствляется более сложно: у животных важную роль в этом процессе играют гормоны, клеточные мембраны; у растений — условия внешней среды, в том числе и окружающие клетки.

Раскрытие механизма регуляции генетического кода пока­зало сложное строение локализованного, а молекуле ДНК генетического аппарата. Гены, непосредственно кодирующие синтез соответствующих ферментов, называют структурными генами. Они входят в состав оперона, работу которого регулирует ген-регулятор. Как правило, структурные гены в опероне находятся в состоянии репрессии. Ген-регулятор расположен на особом участке молекулы ДНК и кодирует синтез специального белка, называемого репрессором. Работой структурных генов управ­ляют находящиеся в опероне гены, не имеющие кодирующих функций. Их называют акцепторными генами. Система акцеп­торных и структурных генов образует один оперон.

Акцепторные гены служат местом прикрепления различных белков, регулирующих работу структурных генов. Если лакто­за, проникая в клетку (ее в данном случае называют индукто­ром), блокирует белки, кодируемые геном-регулятором, то они теряют способность присоединяться к гену-оператору. Ген-опе­ратор переходит в активное состояние и включает в работу структурные гены. РНК-полимераза с помощью Cap-белка при­соединяется к промотору и, продвигаясь по оперону, синтезиру­ет про-мРНК. При транскрипции мРНК считывает генетичес­кую информацию со всех трех структурных гейов в одном опе­роне. При трансляции на рибосоме происходит синтез трех раз­ных полипептидных цепей, в соответствии с содержащимися в мРНК кодонами — последовательностями нуклеотидов, обеспе­чивающих инициацию и терминацию трансляции каждой цепи.

Тип регуляции работы генов, рассмотренной на примере лак-тозного оперона, называется негативной индукцией синтеза бел­ка. Другим типом регуляции работы генов служит негативная репрессия, изученная у Е. coli на примере trp-оперона, контро­лирующего синтез аминокислоты триптофана. Этот оперон со­стоит из 6700 пар нуклеотидов и содержит 5 структурных генов, ген-оператор и два промотора. Ген-регулятор обеспечивает по­стоянный синтез регуляторного белка, который не влияет на ра­боту frp-оперона. При избытке в клетке триптофана последний соединяется с регуляторным белком и изменяет его таким об­разом, что он связывается с опероном и репрессирует синтез со­ответствующей мРНК.

Известна также и так называемая позитивная индукция, когда белковый продукт гена-регулятора активирует работу оперона, то есть является не репрессором, а активатором. Деле­ние это условно, и строение акцепторной части оперона, дейст­вие гена-регулятора у прокариот весьма разнообразны.

Число структурных генов в опероне у прокариот колеблет­ся от одного до двенадцати; оперон может иметь либо один, ли­бо два промотора и терминатора. Все структурные гены, лока­лизованные в одном опероне, как правило, контролируют систе­му ферментов, обеспечивающих одну цепь биохимических реакций. Несомненно, что в клетке существуют системы, согласу­ющие регуляцию работы нескольких оперонов. Схема регуля­ции генетического кода и работы генов, установленная для про­кариот, в основе своей вполне приемлема и для объяснения данного процесса у эукариот, но имеются и существенные раз­личия.

Регулирование транскрипции у эукариот. Существуют меха­низмы одновременного подавления активности большой группы генов у эукариот, осуществляемого белками-гистонами. Сигналь­ные функции в животных клетках выполняют гормоны, являю­щиеся индукторами синтеза соответствующих мРНК.

Активная работа структурных генов у эукариот зависит от того, какую функцию выполняет клетка в соответствующих тка­ни или органе. Значительная часть генов в ядрах дифференци­рованных клеток находится в репрессированном состоянии, при этом большое значение имеет тормозящее действие гистонов и негистоновых хромосомных белков на синтез ДНК-зависимой РНК. Сильно сконденсированный хроматин (гетерохроматин) генетически малоактивен.

Условно структурные гены эукариот могут быть по их ак­тивности подразделены на несколько типов. К первому типу мо­гут быть отнесены гены, функционирующие во всех клетках ор­ганизма. Это гены, кодирующие ферменты энергетического об­мена, ферменты, необходимые для синтеза аминокислот, а так­же гены, контролирующие образование мембранных и других структурных белков. Ко второму типу можно отнести гены, функционирующие в клетках тканей одного типа, например ге­ны, контролирующие синтез миозина в мышечных клетках, кол­лагена— в костях и т. д. К третьему типу могут быть отнесены гены специализированных клеток, выполняющие важные, но узкие функции — синтез глобина в эритроцитах, гормонов в эн­докринных железах и т. д.

О работе генов обычно судят по типам мРНК, находящихся в цитоплазме. В одной клетке животных содержится от 10 до 20 тыс. разных мРНК, но большая часть из них представлена небольшим (порядка 10) числом копий, что свидетельствует о слабой работе генов, их синтезирующих. И только около 10% типов мРНК, то есть около 1—2 тыс., имеют от 1000 до 150 тыс. копий, что свидетельствует об активной работе соответствую­щих генов. Число типов мРНК и их копий зависит от функции клетки. Наибольшее разнообразие мРНК содержится в клетках мозга.

Характерно, что в отличие от прокариот мРНК в клетках эукариот может сохраняться довольно продолжительное время, не теряя своих функций. Так, например, у животных ряд типов мРНК синтезируется в оогенезе, сохраняется в яйцеклетке и начинает функционировать на рибосомах после оплодотворе­ния, оказывая значительное влияние на эмбриональное раз­витие.

В отличие от прокариот в опероне эукариот содержится обычно только один структурный ген. Структурные гены, конт­ролирующие синтез комплекса ферментов, необходимых для це­пи биохимических реакций по синтезу или гидролизу одного вещества, находятся в разных молекулах ДНК или в разных оперонах одной молекулы ДНК, поэтому для эукариот харак­терна групповая регуляция работы нескольких генов, принад­лежащих разным оперонам.

У животных сигнальными веществами являются различные гормоны, В клетках вырабатывается специфический белок-ре­цептор, обладающий способностью связываться с гормоном, ко­торый приобретает свойство индуцировать работу одного или нескольких генов, Наиболее изучен этот процесс для половых гормонов, В настоящее время обнаружены и другие сигнальные вещества, так называемые эмбриональные индукторы, а также вещества, попадающие в организм извне.

У эукариот возможна регуляция синтеза белков на уровне трансляции, При этом имеют значение типы тРНК и ферментов, активирующих соответствующие аминокислоты, а также вырож­денность генетического кода. Большая часть аминокислот коди­руется несколькими кодонами, получившими названия изоакцепторных кодонов. Одна и та же аминокислота может достав­ляться на мРНК несколькими типами тРНК. Так, кодирование аминокислоты лейцина может происходить посредством кодо­нов ЦУЦ, ЦУУ, ЦУГ. Процесс трансляции зависит также от со­стояния тРНК, рибосом, наличия или отсутствия соответствую­щих ферментов, в том числе и способных модифицировать гото­вые белковые молекулы.

Из приведенного следует, что молекула ДНК в процессе биосинтеза осуществляет реализацию наследственной информа­ции. Этот процесс, несмотря на некоторые особенности, харак­терные для прокариот и эукариот, является, по сути, единым для всего органического мира путем воплощения наследствен­ной информации в свойства и признаки.

Современное представление о гене как единице наследствен­ности. В представлении Г. Менделя единицей наследственности был фактор, контролирующий проявление в доминантном или рецессивном состоянии одного признака. В дальнейшем поня­тия о гене были развиты в работах Т. Моргана, который пока­зал, что ген — это локус (участок) хромосомы, занимающий в ней строго определенное положение.

В современном понимании ген — это функциональная едини­ца молекулы ДНК, контролирующая последовательность аминокислот в кодируемой полипептидной цепи. Специфичность гена определяется числом нуклеотидов и их уникальной последова­тельностью. Ген имеет определенную величину, выраженную чис­лом нуклеотидов и молекулярной массой. Ген, кодирующий син­тез полипептидной цепи, называется структурным. Он является составной частью оперона, имеет сложную систему регуляции, осуществляемой акцепторными генами. Для каждого структур­ного гена характерна уникальная последовательность нуклео­тидов, позволяющая его идентифицировать.

Структурный ген является дискретной целостной еди­ницей, кодирующей синтез одной полипептидной цепи. Любое изменение порядка чередования нуклеотидов — выпадение, до­бавление или замена хотя бы одного нуклеотида — инактивирует структурный ген или изменяет его функцию.

Ранее отмечено, что для структурных генов эукариот харак­терно мозаичное строение (рис. 40): участки молекулы ДНК, кодирующие аминокислоты в полипептидной цепи, — экзоны (кДНК) чередуются с участками, которые не обладают этой способностью, — нитронами.

Акцепторные гены каждого оперона обладают высо­кой специфичностью — к ним могут присоединяться только опре­деленные молекулы белка, в том числе белок-репрессор, подав­ляющий активность структурных генов, Cap-белок, а также ферментативное белки, обеспечивающие репликацию и транскрипцию. Доля структурных и акцепторных генов в общей ДНК в геномах разных организмов колеблется от 98 до 15%. Осталь­ная часть ДНК генома получила название избыточной ДНК. Особенно много избыточной ДНК содержится 8 геномах расте­ний. Для избыточной ДНК характерно наличие повторов — оди­наковых последовательностей нуклеотидов. Р. Бриттен и Д. Кон в 1968 г. установили, что у мыши 70% ДНК составляют уни­кальные последовательности нуклеотидов, а 30% — повторы; у человека — 66% уникальные последовательности, а 34% — повторы.

Повторы ДНК у эукариот могут иметь различную природу. Некоторые структурные гены, имеющие уникальную последова­тельность нуклеотидов, могут быть представлены несколькими копиями. Гены, кодирующие гистоны — основные белки, входя­щие в состав хромосом, в молекуле ДНК представлены различ­ным числом копий, например, в гаплоидном геноме мыши со­держится 30 структурных генов, кодирующих гистон Н4. У жи­вотных имеются повторы структурных генов, кодирующих гло­бин, иммуноглобулин, интерферон и другие жизненно важные молекулы белка. Среди повторов генов имеются нефункционирующие гены, которые из-за выпадения или добавления нуклеоти-да потеряли способность синтезировать мРНК. Их называют псевдогенами.

Особенно многократно в молекуле ДНК встречаются повто­ры структурных генов, контролирующих синтез рибосомальной и транспортной РНК. Так, в гаплоидном геноме лягушки име­ется около 8000 генов тРНК, в геноме курицы — около 100 ге­нов рРНК, в геноме дрозофилы их около 130.

В ДНК геномов содержатся и другого рода повторы. Они представляют собой короткие последовательности нуклеотидов, каждый из них содержит около 300 нуклеотидных пар, а также 40000—80000 повторов В1, содержащих приблизительно по 140 нуклеотидных пар.

В составе избыточной ДНК у эукариот в довольно большом количестве содержатся последовательности нуклеотидов, гене­тическая роль которых пока еще остается невыясненной. Они получили название сателлитной ДНК, которая представляет со­бой последовательности, состоящие из нескольким нуклеотид­ных пар. У мыши они состоят из 6 пар нуклеотидов, в том чис­ле 5 пар AT и пары ЦГ; у морской свинки сателлитная ДНК состоит из 6 пар нуклеотидов, в том числе 3 пар ЦГ и 3 пар ТА, АГ и AT. Блоки (кластеры) сателлитной ДНК преимуществен­но сосредоточены в гетерохроматиновых районах хррмосом, рас­положенных около центромеры.

Транспозоны. В течение длительного времени счита­лось, что положение генов в хромосоме и, следовательно, в молекуле ДНК является строго фиксированным, хотя Б. Мак-Клинток еще в 1953 г. доказала, что в геноме кукурузы содержатся так называемые подвижные генетические элементы. В 1975—1977 гг. советский ученый Г. Н. Георгиев обнаружил в геноме дрозофилы гены, представленные десятками копий и рассеянные по разным хромосомам. Им было установлено, что эти гены являются подвижными или «прыгающими», так как мо­гут быть локализованы у разных линий и даже у отдельных особей в разных хромосомах и в разных локусах одной хромо­сомы.

Перемещение фрагмента ДНК, содержащего ген или гены, из одной хромосомы в другую, им несвойственную, называется транспозицией. Фрагменты ДНК, способные перемещаться из одной хромосомы в другую или из одного локуса в другой на­зывают транспозонами. Транспозиция включает два процесса: эксцизию и инсерцию. Эксцизией называется освобождение транспозона из молекулы ДНК, в которую он был встроен, а инсерцией — процесс встраивания транспозона в новый локус ДНК.

Транспозоны условно можно разделить на несколько клас­сов. Один из них, наиболее изученный и широко представлен­ный, Г. П. Георгиев обнаружил у дрозофилы и назвал их «мо­бильные диспергированные гены» (МДГ). У дрозофилы имеется около 20 семейств таких МДГ, каждое из которых содержит от 10 до 150 копий, локализация которых в геноме сильно варьи­рует. Характерной особенностью МДГ являются одинаково ори­ентированные длинные концевые повторы (ДКП). ДНК МДГ содержит 5—10 тыс. нуклеотидных пар, в том числе 250—1500 нуклеотидных пар — это ДКП. Образование большого числа ко­пий МДГ происходит следующим образом: на матрице ДНК в локусе МДГ-элемента синтезируется РНК, на которой при уча­стии фермента обратной транскриптазы образуется много ко­пий фрагментов ДНК, соответствующих МДГ, которые внед­ряются в новые локусы ДНК генома. В ДКП МДГ-элементов имеются сигнальные последовательности для начала и оконча­ния транскрипции, а также усилители (энхансеры), резко уве­личивающие интенсивность транскрипции. Они содержат также оперон, кодирующий обратную транскриптазу.

Другой класс активных транспозонов (МДГ) включает по­следовательности ДНК, кодирующие фермент транспозазу, ко­торый отвечает за транспозицию МДГ — вырезание и встраива­ние транспозонов. К ним относят хорошо изученные Р-элемент дрозофилы и Ас-элемент кукурузы.

К особому классу можно отнести пассивные транспозоны — фрагменты ДНК, которые ничего не кодируют, но многочислен­ные копии которых могут служить субстратом для транспозазы. К их числу могут быть отнесены и длинные обращенные повторы, и даже некоторые МДГ-элементы.

К транспозонам относят также и другие участки генома, если они активно синтезируют РНК, а затем при участии фер­мента ревертазы образуют многочисленные копии ДНК, кото-рые вставляются в различные участки генома. К их числу отно­сятся два класса коротких транспозонов мыши, названные В1 и В2; В1 содержит 130, В2— 190 пар нуклеотидов. Они рассея­ны по всему геному, и почти в каждом фрагменте ДНК содер­жится В1 или В2, или оба. Находясь в ДНК генома, они актив­но транскрибируют РНК, а затем при участии обратной транскриптазы образуют огромное число копий (в клетке может со­держаться до 100 000 копий каждого транспозона).

В геноме человека также обнаружены В1 и В2, а также транспозон А1и содержащий 300 пар нуклеотидов и представ­ленный 300 000 копиями.

Транспозиция играет значительную роль в реализации на­следственной информации и может быть причиной наследствен­ного изменения признака (мутации). Многие транспозоны слу­жат матрицами для транскрипции мРНК, кодирующей различ­ные ферменты, в том числе обратную транскриптазу. Внедряясь в новые локусы генетического аппарата клетки, транспозоны влияют на работу окружающих генов. Иногда внедрившийся транспозон изменяет структуру гена вплоть до создания нового, несвойственного данному локусу. Транспозоны могут вызвать глубокие перестройки генома, в том числе делеции, инверсии, транслокации. Для разных генетических локусов от 10 до 90% всех спонтанных мутаций являются результатом транспозиции МГД.

В обычных условиях транспозиция происходит весьма редко, но под действием некоторых факторов наблюдаются так назы­ваемые транспозиционные взрывы, когда в клетке сразу переме­щается большое число транспозонов, относящихся к разным классам.

В последние годы установлено, что транспозиция и образо­вание большого числа повторов МДГ сходны с ретровирусами птиц и млекопитающих. Ретровирусами называют вирусы; у ко­торых генетическая информация записана на РНК (РНК-содержащие вирусы). Когда такой РНК-содержащий вирус про­никает в клетку, при участии фермента обратной транскриптазы синтезируются ДНК-копии РНК вируса. ДНК внедряется в различные локусы генома клетки и становится составной частью молекулы ДНК. Такую ДНК называют провирусом. В геноме мыши может содержаться несколько семейств провирусов, лока­лизованных в разных локусах ДНК. На этих ДНК может синте­зироваться РНК и даже могут образовываться вирусоподобные частицы, но инфекционный вирус не возникает. Вирусы, инфор­мация о которых содержится в ДНК высших организмов, полу­чили название эндогенных вирусов (ЭВ), а кодирующие их ге­нетические элементы — эндогенных провирусов (ЭП). Так, у кур выявлено 29 локусов ЭП, которые встречаются в различных со­четаниях и с разной частотой. Ни один из локусов ЭП не явля­ется обязательным элементом генома кур.

Подавляющее большинство ЭП дефектны и не могут коди­ровать вирионы, поэтому они не являются инфекционными для родительских клеток. Вместе с тем некоторые ЭП следует рас­сматривать как генетические факторы риска, повышающие ве­роятность начала канцерогенного процесса или появления ново­го онкогенного вируса.

Контрольные вопросы. 1. Каким образом ДНК сохраняет, передает и реа­лизует наследственную информацию? 2. Какую функцию выполняет каждый входящий в оперон фрагмент ДНК? 3. Свойства генетического кода 4. Что такое «ген» в современном понятии? Функции и свойства генов различных ти­пов. 5. Как осуществляется синтез и выделение генов? 6. Народнохозяйствен­ное значение генетической инженерии.

<предыдущая страница | следующая страница>