Эдвард Стил - Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Итак, если линейную информационную макромолекулу ДНК сравнить с длинными полосами лент, которые использовали в первых компьютерах, то ДНК хромосом можно представить как последовательность миллионов букв (оснований). В этих последовательностях закодирован весь набор инструкций, представляющих генетический материал всех живых клеток на Земле. Проект «Геном человека» поставил целью определить порядок этих букв во всех 22 парах аутосом и в двух половых хромосомах человека. Этой работой занимается целый ряд специализированных лабораторий мира, владеющих методами клонирования и секвенирования генов. В общедоступных базах j данных и в персональных компьютерах молекулярных биологов хранятся сотни файлов, содержащих информацию о тысячах (может быть, миллионах) последовательностей ДНК. Достижения компьютерных технологий дают возможность биологам манипулировать последовательностями (например, искать определенную последовательность, разрезать ее или вставлять дополнительную информацию). Можно смело утверждать, что для появления ряда новых открытий молекулярной биологии р было необходимо развитие современных компьютерных технологий (табл. 2.1).

До сих пор мы рассказывали о том, как организован геном человека, тот наследственный чертеж, по которому «строится» наш организм; упомянули мы и о том, что большинство химических реакций происходит с участием специфических белков — ферментов. Возникает вопрос, как информация, записанная в ДНК, превращается в тысячи различных белков, необходимых для функционирования и роста клеток? Как из одной клетки развиваются мириады разных клеток, из которых состоят ткани высокоорганизованных животных?

На эти ключевые вопросы ученые начали искать ответы только после открытия структуры ДНК. В начале 1960-х годов Фрэн-сис Крик, Сидней Бреннер (Brenner) и их коллеги совместно с Гобиндом Кораной (Khorana) и Маршаллом Ниренбергом (Nirenberg) выяснили, как информация, записанная в молекуле ДНК, может быть переведена с языка линейной последовательности оснований (GCTGGACTAATC) на язык соответствующей последовательности аминокислот (Ala, Gly, Leu, lieu). Эта грандиозная задача по дешифровке была решена к 1966 г., когда были окончательно установлены правила генетического кода. Определенный набор из трех оснований, расположенных в определенном порядке, соответствует определенной аминокислоте в белковой цепи. Так, в нашем примере GCT кодирует Ala (ала-нин), GGA кодирует Gly (глицин) и так далее (табл. 1.2 и приложение).

Экспериментально было показано, что существует информационная молекула — посредник между ДНК и белком. Этим посредником оказалась РНК, которая, в отличие от ДНК, состоит только из одной цепи. Однако ее химический состав оказался очень похожим на ДНК. И РНК, и ДНК построены из одинаковых основных строительных блоков. РНК содержит основания А (аденин), G (гуанин), С (цитозин) и U (урацил). Соотношение между двумя нуклеиновыми кислотами следующее. Если порядок оснований в ДНК 3'-TCGAATA-5',то порядок оснований в РНК (копия которой синтезируется по ДНК-матрице) будет 5'—AGCUUAU—3',где вместо Т (тимин) теперь стоит U (урацил). Мы уже упоминали это правило в гл. 1, табл. 1.2.

Рис. 2.4. Поток генетической информации - центральная догма молекулярной биологии.

А. Поток генетической информации направлен от нуклеиновых кислот (ДНК/РНК) к белкам и никогда в обратном направлении.Это означает, что последовательности оснований ДНК и РНК могут служить матрицами для синтеза других ДНК- или РНК-последовательностей, а аминокислотные последовательности в белках никогда не служат матрицей для синтеза РНК (или ДНК) последовательности оснований. Основные процессы копирования нуклеиновых кислот — это ДНК-> ДНК (репликация ДНК), ДНК->РНК (транскрипция), РНК->РНК (репликация РНК) и РНК->ДНК (обратная транскрипция). Аминокислотные последовательности, составляющие белки, определяются последовательностью оснований в. молекуле мРНК. Этот сложный процесс, называемый трансляцией, проходит в рибосомах на цитоплазме.

Б. Первый этап репликации ДНК заключается в локальном раскручивании двойной спирали, в результате которого матричные последовательности становятся доступными для копирования (этот участок называется вилкой репликации). Затем сложный набор белковых ферментов, включая ДНК-полимеразу, копирует каждую цепь, синтезируя комплементарную цепь (скорость копирования примерно 1000 оснований в секунду). Синтез всегда идет в направлении от 5'- к 3'-концу. Когда процесс достигает конца матричной молекулы, каждая из двух дочерних нитей состоит из одной новой цепи и одной родительской.

В. Отдельные участки ДНК-последовательности копируются или в мРНК, которая кодирует специфическую последовательность аминокислот (см. приложение), или в рибосомную РНК (рРНК), или в транспортную РНК (тРНК), которые являются частью молекулярного механизма, необходимого для трансляции мРНК в белок (см. приложение). РНК-по-лимераза копирует матричную цепь ДНК (чтобы это могло произойти, необходимо локальное раскручивание спирали ДНК). Синтез РНК также идет в направлении от 5'- к 3'-концу, так что матричная цепь ДНК имеет антипараллельную ориентацию от 3' к 5'. Последовательность оснований за кодирующим участком гена определяет терминацию (конец) синтеза РНК.

Самое важное — это то, что последовательность оснований ДНК определяет комплементарную последовательность РНК. Процесс синтеза на ДНК-последовательности соответствующей РНК-последовательности называется транскрипцией. На рис. 2.4 обратите внимание, что движение генетической информации происходит в направлениях ДНК -> РНК -> белок.

Также обратите внимание на то, что РНК-последовательность может служить матрицей для синтеза ДНК-последовательности (обратная транскрипция), а последовательность аминокислот в белке никогда не служит матрицей для обратного потока информации от белковой последовательности к РНК.

Все это еще не дает ответа на поставленные в начале вопросы. Как последовательность ДНК, переписанная в последовательность РНК (которая называется информационной РНК, или мРНК), переводится в белок? Большая часть данных, отвечающих на этот вопрос, получена М. Ниренбергом и Г. Кора-ной в начале 1960-х годов. По мере накопления информации становилось ясным, что процесс синтеза аминокислотной последовательности по триплетному коду мРНК чрезвычайно сложен. Этот процесс назвали трансляцией (от англ. translation — перевод). В общем виде он описан в приложении. Информационная РНК выходит из ядра в цитоплазму, где она транслируется в соответствующую последовательность аминокислот (белок). Она напоминает компьютерную ленту, подающуюся через устройство, которое считывает по три основания одновременно. Каждый триплет оснований определяет одну аминокислоту. «Читающее устройство» клетки называется рибосомой — это молекулярная органелла, состоящая из РНК и белков. Рибосома транслирует (переводит) мРНК в белковую последовательность — линейную цепочку аминокислот. Функциональным белком эта цепочка становится только после того, как примет определенную трехмерную устойчивую форму.