Генетический код

Постановка проблемы молекулярной природы генетического кода стала возможной после установления строения материального носителя генетической информации — молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Многочисленные эксперименты биохимиков и генетиков дали убедительные доказательства в пользу того, что основная функция генов заключается в кодировании белков. Это было предсказано еще Бидлом и Тейтумом (1944), провозгласившими правило: «один ген — один фермент». Данная формула получила подтверждение, но в нее было внесено одно уточнение. Так как один фермент может состоять из нескольких белковых молекул (полипептидных цепей), то следует считать, что один ген определяет одну полипептидную цепь.

Выяснение основной функции гена как хранителя информации о строении определенной полипептидной цепи поставило перед молекулярной генетикой вопрос исключительной важности: каким образом осуществляется перенос информации от генетических структур (ДНК) к морфологическим структурам, иначе говоря, каким образом записана генетическая программа и как она реализуется в клетке.

Согласно модели Уотсона — Крика, генетическую информацию в ДНК' несет последовательность расположения оснований. Таким образом, в ДНК заключены четыре элемента генетической информации. В то же время в белках было обнаружено 20 основных аминокислот. Необходимо было выяснить, как язык четырехбуквенной записи в ДНК может быть переведен на язык двадцатибуквенной записи в белках. Решающий вклад в разработку этого механизма был внесен Г. Гамовым (1954, 1957). Он предположил, что для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК99. Эта элементарная единица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона.

Хотя предположение Гамова о тринуклеотидном составе кодона выглядело логически безупречным, доказать его экспериментально долгое время не удавалось. На протяжении семи лет со времени публикации

норіюй 'работы Гамова (1954) проблему организации генетического кода иытались чисто теоретически разрешить многие исследователи.

Не идаваясь в подробности, все тиры предложенных кодов (за небольшим исключением) можно разделить на три типа: сплошной пере- .крывающийся код, сплошной неперекрывающийся код и код с запятыми. В конце 1961 г., когда многим стало казаться, что эта проблема вряд .ли будет в ближайшие десятилетия разрешена, была опубликована работа кембриджской группы исследователей (Ф. Крик, JI. Барнет, С. Бреннер и Р. Ваттс-Тобин), выяснивших тип кода и установивших его общую природу. Важным моментом в их работе было то, что они с самого начала строго поставили вопрос о роли начальной, стартовой точки в гене. Их основной постулат, который они блестяще доказали, заключался в том, что в каждом гене есть строго фиксированная начальная точка,

• с которой фермент, синтезирующий РНК, начинает «прочтение» гена, причем читает его в одном направлении и непрерывно. Экспериментальная часть работы базировалась на модели rll-мутантов фага Т4. Использовав эту модель, авторы доказали, что размер кодона действительно равен трем нуклеотидам и что наследственная информация, записанная в ДНК, читается от начальной точки гена «без запятых и промежутков».

Доказательство свелось к получению точечных rll-мутантов, супрессоров этих мутантов и различных рекомбинантов. Крик с сотрудниками воспользовались свойством весьма интересных мутагенов — красителей акридинового ряда — вызывать вставку или выпадение одного нуклеотида в ДНК. Исходя из гипотезы, что чтение генетической матрицы осуществляется с фиксированной точки тройками оснований, авторы резонно предположили, что при вставке и выпадении нуклеотидов, начиная с из- .мененной точки, чтение ДНК будет осуществляться неверно:

Правильная ABC ABC ABC ABC ABC ABC

запись

Мутация типа ABC ABB CAB CAB CAB CAB

«вставки» t

Лишняя

«буква»

Мутация типа ABC ABA ВСА ВСА ВСА ВСС

«выпадения» J,

Выпадение

основания

•Очевидно, что при обоих повреждениях можно добиться возвращения к правильной фазе чтения единственным образом: в первом случае при выпадении либо самой лишней буквы, либо буквы, расположенной рядом с ней; во втором случае при вставке вместо выпавшей буквы находящейся по соседству с ней.

Неправильно Правильно читавшийся участок

читавшийся участок

АВВ САВ ABC ABC ABC ABC АВсГ

Лишняя Выпадение

«буква» В «буквы» J

Получив под действием аналога акридина — профлавина — ряд гІІ-мутан- тов, потерявших нормальную фазу чтения на всем протяжении гена, и осуществив затем вторую мутацию противоположного знака по соседству с первым повреждением (супрессоры первых мутаций), авторы получили фаги с псевдодиким фенотипом.

. Доказательство трехбуквенного состава генетического кода было получено в дальнейших экспериментах, когда при помощи рекомбинации пн- торы совместили в одном геноме три мутации одного знака. Были получены фаги, несшие по три мутации вставки или по три мутации выпадения. Так как изменение чтения на три буквы должно было сместить чтение на число букв, кратное величине кодона, следовало ожидать нос- становления псевдодикого фенотипа:

Именно этот результат и был зарегистрирован в эксперименте. Фаги псевдодикого фенотипа возникали только при сочетании трех повреждений одного знака, а не при сочетании двух или четырех одинаковых повреждений.

Репликация ДНК

Причиной быстрого признания гипотезы Уотсона и Крика послужило то, что авторы не только предложили модель строения ДНК, но и рассмотрели механизм ее репликации. Согласно их гипотезе, последовательность оснований в одной нити ДНК однозначно задавала последовательность оснований в другой нити. Следует подчеркнуть, что абсолютно та же идея репликации в общем виде (без указания на ДНК-овую природу генетической информации) была предложена задолго до этого советским ученым Н. К. Кольцовым (1928).

Уотсон и Крик далее предположили, что две нити ДНК раскручиваются и на каждой из них в соответствии с правилами комплементар- ности синтезируются дочерние нити. Таким образом, каждая новая молекула ДНК должна содержать одну родительскую нить и одну дочернюю.

В конце 00-х годов было установлено, что наряду с процессом нормальной полуконсервативной репликации в клетках всех без исключения организмов (и том числе и человека) осуществляется еще один процесс репликации ДНК, протекающий во время репарации ДНК. Если ДНК оказывается поврежденной после воздействия на нее ряда физических и химических факторов, специальные репарирующие ферменты (нукле- азы) вырезают эти поврежденные участки, после чего бреши заделываются специальными репарирующими ДНК-полимеразами. Не исключено, что выделенный Корнбергом фермент как раз относится к этому виду полимераз.

Воспользовавшись репарирующими ферментами, А. Корнберг, Р. Синс- хеймер и М. Гулиан в 1969 г. смогли в бесклеточной системе воспроизвести синтез инфекционной фаговой ДНК для одного из мельчайших фагов — ф Х174. Авторы использовали готовую родительскую нить ДНК этого фага и на ней синтезировали копии ДНК.

Заново синтезировать ген удалось в 1968—1971 гг. американскому исследователю Г. Коране (Нобелевская премия, 1968). Он чисто химически собрал ген для одной из транспортных РНК, последовательно добавляя к синтезируемой молекуле новые нуклеотиды.

Принципиально новый тип репликации ДНК был доказан в конце 1970 г. в лабораториях С. Шпигельмана (на лимфоцитах человека) и Г.

Новым моментом в схеме репликации ДНК было установление того, что репликация осуществляется, по-видимому, участками размером около 1000 нуклеотидов (Р. Оказаки, 1968 и позднее). Прерывистый синтез ДНК («фрагмента Оказаки») был обнаружен как в микробных клетках и у фагов, так и в клетках растений и животных. Правда, окончательного доказательства, что репликация ДНК происходит фрагментами, до сих пор не получено.