Николай Курчанов - Генетика человека с основами общей генетики. Учебное пособие
Характеристика конкретных повторов в определенных местах генома играет важную роль в генетической идентификации личности.
Эволюционное значение повторов мы рассмотрим ниже, а сейчас отметим, что среди повторяющихся участков генома неожиданным открытием явились так называемые псевдогены – нефункционирующие последовательности ДНК, сходные с функционирующими генами (Proudfoot N., 1980). В геноме человека, например, около 20 000 псевдогенов. В частности, в семействе генов-рецепторов обоняния их почти 60 %. Псевдогены еще больше осложнили определение понятия «ген». Можем ли мы псевдогены считать генами? И что же все-таки такое ген?
Таким образом, используя термин «ген» для обозначения определенной последовательности ДНК, мы теперь вкладываем в него возможность прерывистой структурной организации, возможность участия части этой последовательности в составе другого гена, неоднозначность экспрессии этого участка, наличие генов как для белков, так и для РНК.
Подводя итог исследований молекулярной биологии гена и понимая всю сложность этой проблемы, остановимся на лаконичном определении гена, которое приводит в своей книге В. З. Тарантул: «Ген – это физическая (определенный участок ДНК) и функциональная (кодирует белок или РНК) единица наследственности» (Тарантул В. З., 2003). Размеры гена варьируют в чрезвычайно широких пределах. Так, самый маленький ген человека (МСС-7) имеет всего 21 п. н., а самый большой (ген дистрофина) – 2,2 млн п. н. (Гринев В. В., 2006).
6.2. Генетический код
Генетическая информация записывается последовательностями нуклеотидов в нуклеиновых кислотах с помощью 4 символов, как информация текста книги записывается с помощью букв, количество которых зависит от конкретного алфавита. В структуру белка эта информация «переписывается» с помощью 20-буквенного «алфавита» природных аминокислот. Для перезаписи нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот в последовательность аминокислот должна существовать система кодировки, которая и получила название генетического кода. Генетический код – это соответствие определенной последовательности нуклеотидов определенной аминокислоте.
Выяснение природы генетического кода и экспериментальное определение смысла каждого кодона можно отнести к самым выдающимся достижениям современной науки. Первые результаты были представлены Ф. Криком и соавторами на V Международном биохимическом конгрессе в Москве в 1961 г. (Crick F. [et al.], 1961). Генетический код был полностью расшифрован к 1966 г. В его расшифровке принимали участие ведущие ученые всего мира. Он имеет следующие основные характеристики:
Триплетность – каждая аминокислота зашифрована последовательностью из 3 нуклеотидов (триплетом или кодоном).
Вырожденность – большинство аминокислот шифруются более чем одним кодоном (от 2 до 6).
Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав 2 соседних кодонов.
Универсальность – характерен для всех организмов живой природы.
Универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всех живых организмов.
Первое исключение из правила универсальности продемонстрировали митохондрии, причем в митохондриях разных организмов значение некоторых кодонов варьировало. Тогда стали говорить о квазиуниверсальности генетического кода. В последнее время найдены единичные отклонения генетического кода других «экзотических» объектов. К ним относятся микоплазмы, некоторые грибы, инфузории, хлоропласты растений. Российский генетик В. А. Ратнер пишет: «Это своеобразные „диалекты“ генетического кода, отражающие специфику их эволюции» (Ратнер В. А., 2002). Обнаруженные вариации генетического кода показывают, что код эволюционировал. В определении направления эволюции генетического кода между генетиками нет единого мнения.
В универсальном генетическом коде 61 кодон кодируют 20 аминокислот. Три кодона не соответствуют никакой аминокислоте и определяют момент окончания синтеза полипептида. Это так называемые терминирующие кодоны (стоп-кодоны) – УАА, УАГ, УГА. Они играют роль знаков препинания между генами. Соответствие структуры гена (в нуклеотидах) и структуры кодируемого им белка (в аминокислотах) получило название коллинеарности. Интересно отметить, что лишь прямое подтверждение коллинеарности в 1964 г. послужило окончанием более чем 10-летних дискуссий вокруг гипотез реализации наследственной информации.
Значения кодонов генетического кода приведены в табл. 6.1. Указаны аминокислоты, встречающиеся в белках, и соответствующие им кодоны информационной РНК.
Таблица 6.1. Генетический код
Еще в 1963 г. Г. Понтекорво, открывая симпозиум «От менделевских факторов к генетическому коду», подчеркнул, что все биохимические процессы клетки можно разделить на ступенчатые и матричные. Ступенчатые процессы – это обмен низкомолекулярных соединений, матричные – это синтез макромолекул (белков и нуклеиновых кислот). Активность генов непосредственно связана с матричными процессами. В процессе репликации происходит воспроизведение генетического материала. Реализация генетической информации – экспрессия генов, выражается в процессах транскрипции и трансляции.
6.3. Транскрипция
Транскрипцией называется процесс переноса генетической информации с ДНК на РНК. Матрицей для синтеза РНК служит только одна из двух цепей ДНК, так называемая смысловая цепь (3'→5'). Однако в этом правиле встречаются исключения. Так, в мт-ДНК обе цепи являются смысловыми с локализацией в них разных генов, причем процесс транскрипции идет на них в противоположных направлениях. Некоторые ядерные гены также расположены на «антисмысловой» цепи, с которой и происходит их транскрипция.
У прокариот гены одного оперона транскрибируются вместе. У эукариот транскрипция обычно происходит на участке только одного гена. Транскрипция мт-ДНК эукариот осуществляется на единый мультигенный транскрипт, который затем разрезается. Во всех случаях транскрипция идет по единому принципу в 3 стадии.
1. Инициация – начало синтеза. Происходит присоединение к промотору комплекса ферментов, основным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза. Это сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и играющий ключевую роль в процессе транскрипции. Промоторы прокариот и эукариот содержат короткие универсальные последовательности нуклеотидов, которые распознаются РНК-полимеразами и служат местом их присоединения. У прокариот имеется один тип РНК-полимеразы, у эукариот – три:
– РНК-полимераза-1 – для синтеза 3 видов (из 4) р-РНК;
– РНК-полимераза-2 – для синтеза гя-РНК (предшественника и-РНК);
– РНК-полимераза-3 – для синтеза т-РНК, мя-РНК и 1 вида р-РНК (5S-РНК).
Присоединение РНК-полимеразы к промотору инициирует раскручивание двойной цепочки ДНК и освобождение нуклеотидных связей.
2. Элонгация – последовательное присоединение свободных нуклеотидов к «смысловой цепи» ДНК по принципу комплементарности (А-У, Г-Ц) и соединение их при помощи РНК-полимеразы в единую полирибонуклеотидную цепочку.
3. Терминация – завершение синтеза РНК в участке-терминаторе, который узнается РНК-полимеразой при участии особых белковых факторов терминации.
В результате процесса транскрипции синтезируются разные молекулы РНК. Эти молекулыдля своей функциональной активности чаще всего должны пройти этап тех или иных модификационных изменений. На этом этапе мы можем наблюдать принципиальное различие в экспрессии генов прокариот и эукариот. Если у прокариот процессы транскрипции и трансляции идут практически одновременно, то у эукариот эти этапы разделены во времени. Экспрессия генов у эукариот в ходе эволюции становится сложным и многоступенчатым процессом. Она включает в себя дополнительный этап формирования функционально активных молекул РНК, который получил название процессинга. Протекание процессинга в клетке имеет несколько вариаций.
При экспрессии генов, кодирующих структуру белка, в результате процесса транскрипции, который заканчивается в зоне терминации, образуется гетерогенная ядерная РНК (гя-РНК). Она копирует всю нуклеотидную последовательность ДНК от промотора до терминатора, включая нетранслируемые области (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Структура гя-РНК:
1–5'-нетранслируемая область; 2–3'-нетранслируемая область; 3 – копии экзонов; 4 – копии интронов
После этого гя-РНК претерпевает процессинг или процесс образования функционально активных м-РНК. Он включает в себя процесс вырезания интронов и соединение экзонов – сплайсинг, процесс присоединения 7-метил-ГТФ к 5' – концу гя-РНК с образованием «кэпа» («шапочки») – кэпирование и процесс присоединения полиаденилового участка (поли-А) размером в 100–250 нуклеотидов к 3 – концу – полиаденилирование. В результате процессинга образуется матричная РНК (рис. 6.3).
