Сельскохозяйственная биотехнология - Шевелуха Е.А.
Скачать (прямая ссылка):
4. Код универсален. Генетический код был расшифрован в результате исследований в бесклеточных системах, полученных из бактерий. Поэтому следовало подтвердить, что результаты, полученные in vitro, справедливы и in vivo. Первые доказательства были получены при анализе мутаций. Было показано, что мутации, вызывающие замены оснований, соответствуют аминокислотным заменам ^ белке. Анализ мутаций, вызывающих сдвиг рамки, также выявил соответствие между измененным составом кодонов и последовательности аминокислот в «испорченном» участке белка.
Одинаков ли код у живых организмов? Были разработаны гетерологичные системы трансляции, которые позволяют использовать белоксинтезирующий аппарат одного вида для синтеза белка на мРНК другого вида. Успешное применение таких систем свидетельствует о постоянстве кода. Прямое доказательство универсальности было получено при сравнении нуклеотидных последовательностей ДНК и соответствующих аминокислотных последовательностей. Оказалось, что во всех бактериальных и эукариотических геномах для кодирования аминокислот используются одни и те же наборы триплетов нуклеотидов.
Однако недавно в митохондриях некоторых видов были обнаружены первые исключения. В митохондриальной ДНК кодон УГА читается так же, как УГГ и, следовательно, является не кодоном-терминатором, а кодоном для триптофана. Это справедливо для всех-митохондриальных геномов. У некоторых видов обнаружены специфические изменения кода. У дрожжей кодон ЦУА кодирует трионин вместо лейцина. У млекопитающих АУА имеет то же значение, что и АУГ, и означает метионин вместо изолейцина. Кодоны АГА и АГЦ не кодируют аргинина, а являются терминаторами.
Leu
Trp
Asp
Thr
Phe
Leu
Val
Trp
Gly
Asp
Tyr
Trp
Pro
Leu
Универсальность кода (за редким исключением) свидетельствует о его раннем происхождении в эволюции. Возможно, на ранних этапах только первые два основания служили для узнавания, а роль третьего основания определилась позднее. В некоторый момент код был «заморожен» в его современном виде. Всякая мутация, изменяющая код, изменит последовательность аминокислот у большинства белков. Многие из этих изменений могут быть летальными. Следовательно, должно существовать сильное давление отбора против таких мутаций.
Рамки считывания могут перекрываться. Концепция генетического кода предполагает, что аминокислотная последовательность записана в одной из трех рамок считывания на данном отрезке молекулы ДНК. Эта рамка называется открытой. Началом кодирующей области является стартовый кодон, а завершается она одним из кодонов-терминаторов. Две другие рамки считывания называются блокированными. Они не используются для синтеза белка, поскольку содержат много кодонов-терминаторов. Поэтому у мутантов со сдвигом рамки считывания синтез полипептидной цепи быстро прекращается.
Первым исключением из правила была ДНК бактериофага ФХ 174, которая содержит 5375 нуклеотидов и кодирует более 2000 аминокислот. Расшифровка нуклеотидной последовательности фаговой ДНК позволила разрешить эту парадоксальную ситуацию. Были обнаружены две перекрывающиеся рамки считывания, т. е. в одной и той же последовательности нуклеотидов достаточно протяженной длины (около 300 нуклеотидов) закодированы две различные аминокислотные последовательности. Таким образом различные белки могут кодироваться альтернативными рамками считывания, они могут начинаться и кончаться в разных местах и участок перекрытия может варьировать в широких пределах (рис. 2.12). У бактериофага G4 обнаружены короткие участки генома, которые коди-134
Arg
Phe
С
т
. G G А С Т
т
т
G
т
G
G
G
А
Т
А
С
С
С
т
с
G
О
т
т
т
с
Ala
Phe
Рис. 2.12. Перекрывающиеся гены в ДНК фага 174. В двух рамках считывания закодированы две последовательности аминокислот
руют части трех различных белков во всех трех рамках считывания.
Двойная спираль ДНК содержит шесть рамок считывания (по три в каждой цепи). Как правило, в любой данной точке только одна цепь является кодирующей. Сейчас обнаружены случаи перекрывания рамок считывания в комплементарных цепях ДНК-
Присутствие перекрывающихся рамок считывания увеличивает генетическую емкость генома. Это особенно важно для вирусов, размер генома которых ограничен размером белковой оболочки. При этом, однако, кодирующая гибкость ДНК строго ограничивается, так как мутации в перекрывающихся областях могут приводить к аминокислотным заменам сразу в одном или двух белках.
2.7. ТРАНСКРИПЦИЯ
Общие положения. В этой и последующей главах будут рассмотрены процессы, обеспечивающие выражение в фенотипе (экспрессию) генетической информации, содержащейся в ДНК- В генах закодирована информация о белках, синтезируемых в клетке. Однако сама ДНК не используется в качестве непосредственной матрицы для синтеза белка. Реализация генетической информации представляет собой двустадийный процесс. На первой стадии ген служит матрицей для синтеза молекул РНК, на которые совершенно точно транскрибируется (переписывается) последовательность нуклеотидов соответствующего гена и, следовательно, закодированная в нем информация о последовательности аминокислот. На второй стадии нуклеотидная последовательность РНК транслируется (переводится) в полипептидную цепь. Таким образом, поток генетической информации в клетке идет в следующем направлении: ДНК-> транскрипция -> РНК -> трансляция -> белок.
