Мед. Генетика Горбунова. Учебник для студентов медицинских вузов и слушателей последипломного образования
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Глава 1.7.Структура вещества наследственности – ДНК В процессе развития хромосомной теории наследственности было показано, что гены содержатся в хромосомах. Но из чего состоят сами хромосомы, и какое вещество хромосом является материальной основой генов? Ответы на эти вопросы, являющиеся предметом молекулярной генетики , долгое время оставались неизвестными. Пониманию природы вещества наследственности способствовали опыты по трансформации – искусственной передаче наследственных признаков, выполненные на бактериях в 1944 г. О. Эйвери, К. МакЛеодом и М. МакКарти. В этих опытах впервые было показано, что за трансформацию ответственны молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) , присутствие которых в ядрах клеток было открыто еще в позапрошлом веке в 1869 г. Фридрихом Мишером, назвавшим эти молекулы нуклеином. Трансформирующая активность ДНК была подтверждена в многочисленных последующих опытах на многих экспериментальных объектах. Оказалось, что ДНК является основным веществом хромосом всех исследованных видов. Наряду с ДНК в хромосомах содержатся белки: около 20% белков в хромосоме прокариот и 50-60% – в хромосомах эукариот, причем большая часть этих эукариотических белков – до 80% – относится к специфическому классу гистонов В хромосомах эукариот ДНК упакована очень компактно, особенно в период деления клетки. Во время митоза длина хромосом становится короче в тысячи раз. Очевидно, что это возможно только для высоко организованных структур. В соответствии с современными представлениями существует не менее пяти уровней упаковки ДНК в хромосомах. Ключевая роль в процессах упаковки ДНК и структурной организации хромосом принадлежит гистонам. Определение химической структуры и пространственной организации молекул ДНК явилось одним из самых ярких открытий ХХ века. В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик на основании рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, выполненного Р. Франклином, предложили модель, в соответствии с которой ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих форму двойной спирали – рис. 13. Рисунок 13. Структура ДНК В основании каждой из полимерных цепей лежат последовательности из одинаковых сахаров (дезоксирибозы), соединенных между собой остатками фосфорной кислоты или фосфодиэфирной связью. Дезоксирибоза содержит 5 атомов углерода, то есть является пентозой – рис. 14. Рисунок 14. Дезоксирибоза Каждый сахар, в свою очередь, соединен гликозидной связью с одним из четырех азотистых оснований: двух пуринов – аденина (A) и гуанина (G), и двух пиримидинов – цитозина (C) и тимина (T) – рис.15. Рисунок 15. Структура пуринов и пиримидинов Азотистое основание, сахар и остаток фосфорной кислоты вместе составляют нуклеотид . Таким образом, цепь ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов. Две цепи ДНК удерживаются вместе за счет водородных связей между нуклеотидами. Аденин связывается с тимином, а гуанин с цитозином. Это правило A-T, G-C называется правилом комплементарности В результате две нити ДНК оказываются комплементарными или взаимодополняющими друг друга. Каждая нить ДНК имеет форму спирали, и при их объединении образуется двойная спираль. В зависимости от положения атомов углерода в остатке дезоксирибозы выделяют 5’- и 3’-концы ДНК. Нить ДНК начинается с 5’-конца и заканчивается 3’-концом. В двойной спирали нити ДНК находятся в противоположной ориентации по отношению друг к другу. Мы уже упоминали о том, что связи между нуклеотидами в двойной спирали ДНК водородные и потому легко рвутся даже при относительно небольшом нагревании молекулы. Этот нормальный физиологический процесс называется денатурацией или плавлением ДНК. При восстановлении температурных условий происходит восстановление водородных связей по правилу комплементарности с образованием двойной спирали ДНК. Этот процесс называется гибридизацией Длина молекул ДНК измеряется в нуклеотидах или, точнее, в парах оснований (п.о.), тысячах пар оснований – килобазах (кб) и миллионах пар оснований – мегобазах (мб), и эта длина может варьировать от нескольких нуклеотидов до десятков и даже сотен миллиардов пар оснований. Суммарная длина молекулы ДНК человека составляет 3,2х10 9 п.о. Основная масса ДНК эукариот находится в ядрах клеток в составе хромосом в суперскрученном состоянии за счет взаимодействия с гистонами и другими белками хромосом. Около 5% ДНК находится в митохондриях – самых крупных после ядра органеллах клетки. У прокариот ДНК содержится в хромосоме и плазмидах. Если выделить молекулу ДНК из одной клетки человека и развернуть во всю длину, ее физический размер составит почти два метра. Нужно обладать очень богатым воображением, чтобы представить себе, что в ядре каждой нашей клетки имеется молекула ДНК такого гигантского размера, и как же она суперскручена, как замечательно она упакована, что ей там не только не тесно, но она способна выполнять свои удивительные функции! Два свойства отличают нуклеиновые кислоты от других типов молекул. Во-первых, молекулы ДНК способны размножаться, то есть сами себя воспроизводить. Этот процесс называется репликацией , и он осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы , способного вести комплементарный синтез ДНК по однонитевой матрице. При делении клетки процессу образования хроматид из родительской хромосомы предшествует репликация ДНК, которая происходит на синтетической стадии S клеточного цикла. При этом две нити ДНК расходятся, и каждая из них служит матрицей для комплементарного синтеза новых нитей ДНК – рис. 16. Заметим, кстати, что появление молекул ДНК, способных к самовоспроизводству, ассоциируется с возникновением жизни на Земле, так как жизнь невозможна без размножения. Рисунок 16. Репликация ДНК Вторым уникальным свойством ДНК является то, что в них в виде последовательности нуклеотидов записана информация, определяющая разнообразие всех форм жизни. Недаром ДНК сравнивают с энциклопедией жизни! Несмотря на эти открытия, многие ученые долго не могли согласиться с тем, что ДНК является этим загадочным веществом наследственности. Действительно, основным структурным элементом полипептидных цепей , а значит и белков, являются аминокислоты . Число их вариантов равно 20. Разнообразие ДНК достигается за счет вариации всего лишь 4 типов нуклеотидов. Казалось невероятным, что такая простая молекула, как ДНК, может кодировать такие сложные множества белков. Кроме того, в начале изучения химической структуры ДНК было неверное представление о том, что расположение нуклеотидов в этих молекулах упорядочено, а сами они напоминают периодические кристаллы. Оказалось, что это ошибка, и все дело в том, что порядок нуклеотидов варьирует по длине этой гигантской молекулы. Варьирующий порядок нуклеотидов и определяет огромную информационную ѐмкость ДНК. Глава 1.8. Центральная догма молекулярной генетики Какая же информация записана в молекуле ДНК, и как происходит расшифровка или декодирование этой информации? В начале ХХ века в 1902 году Арчибальд Гаррод высказал предположение о том, что некоторые наследственные заболевания обусловлены врожденными ошибками метаболизма. В 30-е годы в работах Бидла и Эфрусси, выполненных на дрозофиле, было убедительно показано, что мутации блокируют определенные этапы биосинтеза конечного продукта. И, наконец, в 1952 году были найдены прямые доказательства предположения А. Гаррода на примере известного наследственного заболевания человека – гликогеноза 1 типа. Было показано, что болезнь развивается вследствие снижения активности всего лишь одного фермента – глюкозо-6-фосфатазы. Так было сформулировано важнейшее положение: «один ген – один фермент», названное впоследствии центральной догмой молекулярной генетики . В дальнейшем было показано, что это положение справедливо не только для ферментов, но и для других белков. Современная формулировка центральной догмы молекулярной генетики звучит так: « один ген – одна полипептидная цепь », так как многие белки состоят из разных полипептидных цепей, при этом каждая из них кодируется собственным геном. Но и это положение оказывается справедливо не для всех генов. Конечными продуктами примерно четверти генов человека являются не белки, а рибонуклеиновые кислоты (РНК) РНК, также как ДНК, состоят из четырех типов произвольно чередующихся нуклеотидов. Правда, в РНК функции Т выполняет другой нуклеотид – У (урацил) – рис.15. Второе важное структурное отличие заключается в том, что в РНК в основании располагается другой сахар - не дезоксирибоза, а рибоза. Рибоза также содержит 5 углеродных атомов, однако в отличие от дезоксирибозы атом водорода при втором атоме углерода в рибозе замещен на гидроксильную группу (-ОН). РНК функционируют в виде однонитевых структур, хотя они и способны образовывать двунитевые структуры, в частности, с молекулами ДНК. Разберем более подробно, как происходит переход от ДНК к полипептидной цепи – рис. 17. Рисунок 17. Центральная догма молекулярной генетики Первым шагом на пути расшифровки информации в молекуле ДНК является транскрипция – синтез молекул РНК, комплементарных определенным участкам в молекуле ДНК. Транскрипция происходит в ядрах клеток и осуществляется с помощью фермента – РНК-полимеразы . Те участки молекулы ДНК, которые транскрибируются, как раз и являются генами. Молекулы РНК, которые образуются в результате транскрипции, носят название преРНК или точнее первичный РНК-транскрипт. Серия модификаций превращает преРНК в информационную или матричную РНК - мРНК . Большой вклад в открытие и изучение роли мРНК внесли исследования С. Бреннера и Ф. Жакоба, выполненные в 1961 году на микроорганизмах. При процессинге преРНК, то есть переходе от преРНК к мРНК, происходят изменения на концах молекулы. Это полиаденелирование – присоединение полиА-последовательности к 3’-концу, и кэпирование – присоединение гуанозин-3-фосфата к 5’-концу молекулы преРНК. Концевые модификации обеспечивают стабилизацию мРНК и возможность ее продвижения к нужным органеллам, в первую очередь, к рибосомам. У прокариот процессинг преРНК ограничивается только этими концевыми модификациями. Но у эукариот, в том числе и у человека, одной из главных смысловых модификаций при переходе от преРНК к мРНК является сплайсинг . Для того чтобы определить, что такое сплайсинг, нужно вспомнить о прерывистой структуре большинства генов эукариот. В отличие от прокариот, кодирующие области генов эукариот, которые называются экзонами , как правило, перемежаются с длинными некодирующими участками – интронами . В процессе транскрипции и экзоны, и интроны переписываются в молекулу преРНК. А потом в ходе процессинга преРНК действует механизм избирательного вырезания интронов и сшивки экзонов с образованием мРНК. Это и есть сплайсинг – рис.18. Поскольку интроны суммарно, в среднем, значительно длиннее экзонов, молекулы мРНК могут быть в десятки раз короче молекул преРНК. Рисунок 18. Сплайсинг На следующем этапе мРНК переходит в цитоплазму клетки и транслируется. Трансляция – это синтез полипептидной цепи по молекуле мРНК. На рис. 19 изображены основные этапы трансляции. Рисунок 19. Трансляция мРНК Трансляция происходит на рибосомах – небольших органеллах, широко представленных в клетках. Рибосомы состоят из двух главных субъединиц рибосомальной РНК (рРНК) . Важнейшими участниками процесса трансляции являются молекулы транспортной РНК (тРНК) . Молекулы тРНК имеют форму кленового листа (рис. 20), и они способны образовывать комплекс с одной из аминокислот и транспортировать ее к рибосоме. Какую именно аминокислоту будет транспортировать тРНК, зависит от последовательности из трех нуклеотидов в очень важном функциональном участке тРНК, который называется антикодоном Рисунок 20. Транпортная РНК (тРНК) В процессе трансляции три нуклеотида мРНК, которые называются кодоном или кодирующим триплетом , входят в рибосому. Это является сигналом приближения к рибосомальному комплексу той тРНК, у которой антикодон комплементарен этому кодону, и она доставляет свою аминокислоту. После этого происходит дальнейшее продвижение рибосомы по мРНК, и в неѐ включается следующий кодон. Это является сигналом приближения к рибосомальному комплексу другой тРНК, у которой антикодон комплементарен следующему кодону. И эта новая тРНК доставляет к рибосомальному комплексу следующую аминокислоту, которая образует пептидные связи с предыдущей. Таким образом, происходит сшивка аминокислот на рибосоме с образованием полипептидной цепи. Итак, полипептидная цепь – это последовательность аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Зрелый белок отличается от полипептидной цепи, прежде всего, наличием третичной пространственной структуры. В процессе созревания белка, то есть при белковом процессинге, на одной полипептидной цепи могут происходить десятки биохимических реакций. Белковый процессинг высоко специфичен для разных белков, и его изучение выходит за рамки нашего курса. В основе перехода от последовательности нуклеотидов в мРНК к последовательности аминокислот в полипептидной цепи лежит генетический код (табл.3) или соответствие последовательности из трех нуклеотидов в мРНК определенной аминокислоте в белке. Таблица 3. Генетический код Физическим прообразом генетического кода служат молекулы транспортных РНК. Именно они обеспечивают соответствие между нуклеотидами в мРНК и аминокислотами в белке. Итак, генетический код триплетен и составлен из четырех нуклеотидов. Количество возможных сочетаний из четырех нуклеотидов по три в кодоне равно 4 3 или 64. Из этих 64 вариантов три являются сигналами прекращения процесса трансляции. Это стоп-кодоны или нонсенс-кодоны . Как только любой из этих вариантов включается в рибосому, трансляция прекращается. Остальные триплеты кодируют 20 аминокислот, причем все аминокислоты, за исключением метионина, кодируются не одним, а несколькими вариантами триплетов. Лейцин, например, кодируется шестью вариантами триплетов. Это свойство генетического кода называется вырожденностью . Вариация между триплетами, кодирующими одну и ту же аминокислоту и потому получившими название кодонов-синонимов или синономических триплетов , как правило, идет по третьему нуклеотиду в кодоне. Расшифровка генетического кода, которая ассоциируется с исследованиями М. Ниренберга, Х. Г. Корана и М. Мессельсона, выполненными в 1966 году, также относится к разряду величайших открытий в области молекулярной генетики, позволяющих перейти от анализа генов к анализу белков и изучения функционирования клетки, как целой взаимосвязанной системы. Действительно, знание нуклеотидной последовательности кодирующей ДНК позволяет однозначно прогнозировать аминокислотную последовательность кодируемого белка. В то же время знание аминокислотной последовательности полипептидной цепи не позволяет однозначно прогнозировать нуклеотидную последовательность мРНК или кодирующую область гена в силу вырожденности генетического кода. Например, стоит в белке лейцин, и Вы не можете сказать, какой из шести возможных синономических триплетов кодирует эту аминокислоту в гене. Вы можете только написать все шесть возможных вариантов триплетов. А почему метионин кодируется одним вариантом триплетов? Потому что он кодируется ATG-кодоном, который, в свою очередь, является местом начала транскрипции или, как говорят, сайтом инициации транскрипции . А потому трансляция всех белков начинается с метионина. Это незначащая аминокислота, она затем отщепляется при процессинге белка. Таким образом, необходимо запомнить, что ATG – это начало транскрипции, а метионин – это начало трансляции. Удивительным является то, что генетический код оказался одинаковым для всех живых существ от вирусов до человека. Универсальность генетического кода является бесспорным доказательством родственности всего живого на Земле. При этом наиболее правдоподобной гипотезой возникновения жизни кажется ее привнесение в форме взаимодействия нуклеиновых кислот и белков откуда-то извне. Правда, остается неразрешимым вопрос, а как жизнь образовалась там, откуда она пришла на Землю? В этом месте уместнее всего произнести слово Бог и говорить о божественном характере возникновения жизни на Земле. Но это уже вопрос не науки, а убеждения. С другой стороны, еще 100 лет назад все описанные ранее и вполне материальные факты показались бы настолько фантастическими, что их объяснение могло быть произведено только с позиций божественного начала. Можно лишь надеется, что наши внуки или даже правнуки узнают, откуда пришла жизнь на Землю. На универсальности генетического кода основана возможность проведения геноинженерных манипуляций с молекулами ДНК. Можно, например, выделить ген человека, включить его в состав ДНК вируса, ввести эту генетическую конструкцию в бактериальную клетку и быть уверенным в том, что бактериальная клетка прочтет информацию, записанную в гене человека, точно так же, как это сделала бы клетка человека. Почему? Потому что генетический код универсален! Одним из практических приложений этих биотехнологий является геноинженерное производство лекарственных препаратов, таких как инсулин, интерферон и многие другие. Рассмотренные в данном разделе основные информационные процессы , такие как репликация, транскрипция и трансляция, обеспечивающие передачу генетической информации внутри или между клетками, основаны на матричных процессах , то есть таких процессах, когда одна из нитей ДНК или РНК служит матрицей для последующего синтеза. К матричным процессам относятся также репарация , то есть исправление дефектов, возникающих при репликации ДНК и рекомбинация - обмен между гомологичными (кроссинговер) или негомологичными участками ДНК. Молекулярные основы всех матричных процессов в настоящее время хорошо изучены. |