Язык наследственности

В. Н. Лысцов

В. Н. Лысцов

 

Что делается

В механике,

И в химии, и в биологии,

Об этом знают лишь избранники,

Но в общем пользуются многие…

 

Кодированиеэто операция, позволяющая перей­ти от записи информации в одной системе условных обозначений к записи той же информации в другой системе. Обычно при кодировании уменьшается число используемых символов. Например, тридцатидвухбук­венный русский алфавит передается азбукой Морзе комбинациями всего двух знаковточки и тире.

Как был расшифрован генетический код

Египетские иероглифы удалось расшиф­ровать лишь после того, как был найден Розеттский камень, на котором один и тот же текст был записан и на древнеегипет­ском, и на греческом языках. Нечто подоб­ное произошло в 1961 году в молекулярной биологии — науке, изучающей сокровенней­шие механизмы жизни.

Многие большие открытия обрастают ле­гендами, порой исторически достоверными, порой — нет. Сомнительно, чтобы Исаак Ньютон открыл закон тяготения, глядя на падающее яблоко. Но совершенно точно известно, что грибок пенициллиум в лабора­тории Александра Флеминга случайно по­пал на чашку с питательной средой и бакте­риями, и гибель этих бактерий обнаружила удивительные свойства пенициллина… Рас­сказывают, что сделанное в 1961 году откры­тие, тоже относится к числу «случайных».

Но сначала — о событиях более отдален­ных.

К двадцатым годам нашего столетия бы­ло установлено, что передачей наследствен­ных признаков потомству ведают крохотные продолговатые тельца, находящиеся внутри ядер половых клеток, — хромосомы, состоя­щие из нуклеиновых кислот и белка. Позд­нее химики нашли, что и нуклеиновые кис­лоты и белки — это полимеры, длинные цеп­ные молекулы, состоящие из сотен и тысяч маленьких звеньев. У белков эти звенья, на­зываемые аминокислотами, бывают двадца­ти различных разновидностей. А у нуклеи­новых кислот полимерную цепь составляют азотистые соединения четырех различных типов.

наследственность

В 1944 году стало известно, что язык наследственности находит свое веществен­ное, физическое выражение в молекуляр­ных структурах нуклеиновых кислот. На­следственную информацию, зашифрован­ную в хромосомах, определяют детали рас­положения атомов в молекулах дезоксири­бонуклеиновой кислоты (ДНК). Говоря ино­сказательно, «звуки» «языка наследственно­сти» заключены в архитектуре молекул ДНК.

Но какова эта архитектура? Зимой 1953 года на этот вопрос сумели ответить Ф. Крик и Д. Уотсон — молодые ученые, работавшие в Кембриджском университете в Англии.

Одно из революционных открытий био­логии было сделано в невзрачном домике, в котором едва помещались шкаф и два стола. И шкаф, и столы были забиты книга­ми, кристаллографическими моделями да стопками нега1ивов, на которых можно бы­ло увидеть темные пятна и полосы, — это были рентгенограммы молекул ДНК,

Со стороны могло показаться, что Крик и Уотсон занимаются какой-то детской иг­рой. Пользуясь вращающимися сочленения­ми, они соединяли небольшие металличе­ские пластинки в сложные сооружения, наподобие абстрактных скульптур. Металли­ческие пластинки имели разную форму и соответствовали шести компонентам, из ко­торых строятся нуклеиновые кислоты: четы­рем азотистым основаниям — аденину, гуанину, цитозину и тимину, и группам, «склеивающим» остов полимера,— сахарной и фосфатной. Крик и Уотсон стремились рас­положить металлические модели всех этих компонентов таким образом, чтобы диф­ракция рентгеновских лучей, рассчитанная для модели, давала ту же картину, которую запечатлевали рентгенограммы реальной ДНК. Во всех вариантах учитывалось ограни­чение, известное благодаря исследованиям химиков: в ДНК любого организма количе­ство адениновых оснований строго равняет­ся количеству оснований тиминовых, а число гуаниновых — цитозиновым.

В конце концов Крик и Уотсон обнару­жили, что всем требованиям удовлетворяет модель, представляющая собой двойную спираль. Если внимательно вглядеться в объемную схему молекулы ДНК (рис. 1), то можно увидеть, что две переплетающиеся молекулярные нити образуют нечто вроде винтовой лестницы. Остов каждой нити — чередующиеся сахарные и фосфатные груп­пы. Через правильные промежутки от обеих нитей выступают боковые группы азотистых оснований. Азотистые основания прикреп­ленные к противоположным нитям, соеди­няются попарно, образуя «ступеньки» вин­товой лестницы. Эти пары всегда совершен­но определенны: аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Секрет этой «взаимной склонности» заключается в том, что между такими парами оснований возникает особый тип химических связей — водородные (рис. 2). Между гуанином и ци­тозином образуются три водородные связи, а между аденином и тимином — две. Чтобы не прибегать к громоздким химическим формулам, дальше это условно изобража­ется так, будто треугольные или овальные выступы, соответствующие аденину и гуани­ну, входят в выемки парных им или, как говорят, «комплементарных» оснований тимина и цитозина.

молекула ДНК

Рис. 1. Двойная спираль молекулы ДНК

Представления об избирательном спари­вании оснований позволяют четко разо­браться в механизме основного процесса биологии — самовоспроизведения живого.

Водородные связи

Рис. 2. Водородные связи между парами азотистых оснований

Представим себе, что в растворе, содер­жащем четыре компонента ДНК (под каж­дым компонентом понимается азотистое ос­нование, соединенное химическими связями с сахарной и фосфатной группами, — то, что называют нуклеотидом), нити двуспиральной структуры молекулы ДНК в результате ка­кого-то раскручивающего процесса отдели­лись одна от другой. Благодаря возникнове­нию водородных связей нуклеотиды из рас­твора начнут быстро «налипать» на свобод­ные нити ДНК. Но так как адениновый нук­леотид из раствора может встать только против тиминового в нити, а гуаниновый — только против цитозинового и т. д., то по­нятно, что образовавшаяся в результате та­кого процесса новая нить будет точной ко­пией старой. То же самое произойдет в растворе и со второй нитью; следователь­но, там, где раньше была только одна мо­лекула ДНК, появятся две новые совершен­но идентичные молекулы. Эти удвоившиеся, «редублицировавшиеся» молекулы ДНК разойдутся в разные хромосомные наборы и живая клетка поделится (рис. 3).

Молекула ДНК

Рис. 3. Самовоспроизведение молекулы ДНК

Десятки опытов, в особенности экспери­менты, в которых молекулы ДНК метили радиоактивными атомами, наглядно по­казали, что в действительности все имен­но так и происходит. В 1956 году американ­ский биохимик А. Корнберг воспроизвел процесс редубликации в пробирке. Это уда­лось ему после того, как он выделил особый фермент — полимеразу ДНК. Несмотря на то, что в реакционной смеси присутствовали и необходимые компоненты и фермент, сам процесс синтеза не происходил до тех пор, пока в пробирку не вносили еще одно ве­щество — «затравочную» ДНК. Только по­явление «матрицы», «образца» для копиро­вания заставляло энергично действовать всю систему. Химический анализ показал, что новые молекулы ДНК и по составу и по последовательности оснований тождествен­ны молекулам ДНК «затравки». Если затра­вочная ДНК принадлежала вирусу, то и но­вые молекулы были вирусной ДНК, если крысе, то и новая ДНК оказывалась крыси­ной. При этом в полном соответствии с представлениями Крика и Уотсона наиболь­шей затравочной активностью обладала ДНК, заранее разделенная на две нити.

Но каким же способом эти наследствен­ные свойства выявляют себя непосредствен­но в процессе жизнедеятельности? Каким образом структура молекул ДНК опреде­ляет структуру белковых молекул?

Мы уже говорили, что структура ДНК зависит от последовательности четырех азотистых оснований, чередующихся в длин­ной полимерной цепи. Точно так же струк­тура белковых молекул определяется чере­дованием в их цепи двадцати аминокислот. О том, насколько важно, чтобы в цепи, со­стоящей иногда из нескольких сотен звень­ев, каждая аминокислота находилась на сво­ем месте, говорит, например, такой факт: замена одной единственной глютаминовой аминокислоты другой аминокислотой — валином в молекуле гемоглобина, белка, пе­реносящего кислород в крови, приводит к тяжелейшему заболеванию — серповидной анемии.

Изменения наследственных признаков, так называемые мутации, очевидно, прежде всего выражаются в том, что изменяется структура соответствующего белка.

МЕХАНИЗМ БЕЛКОВОГО СИНТЕЗА

На всех стадиях процесса белкового син­теза огромную роль играет другой тип нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые (РНК). РНК отличается от ДНК тем, что в ее сахарных группах имеется лишний атом

кислорода, а азотистое основание — тимин — везде заменено очень близким ему по химической структуре основанием ура­цилом (У), которое образует с аденином во­дородные связи. В принципе РНК может об­разовывать двойные спирали и выполнять наследственные функции подобно ДНК. Но в большинстве организмов свои основные функции РНК выполняет в виде однонитевых молекул. Благодаря тем же свойствам комплементарности оснований, РНК снимает копии, «рабочие шаблоны» с молекул ДНК, хранящихся в клеточном ядре. «Шабло­ны» покидают ядро и направляются в дру­гую часть клетки — цитоплазму. Здесь моле­кулы этой РНК, называемой обычно инфор­мационной, прикрепляются к особым тель­цам— рибосомам, состоящим из белка и другого типа РНК — рибосомальной. (Функ­ции рибосомальной РНК пока не ясны.) «Ра­бочий шаблон», если продолжать пользо­ваться механической аналогией, закреплен на месте. В цитоплазме существуют моле­кулы третьего типа РНК — транспортной. К этим небольшим молекулам прикрепля­ются аминокислоты, каждая к своей, строго определенной разновидности транспорт­ной РНК. Один из участков транспортной РНК имеет группу оснований, комплемен­тарную к определенной группе оснований в информационной РНК. Комплементарные группы образуют водородные связи, и ами­нокислоты, посаженные на транспортные РНК, выстраиваются в порядке, который в конечном счете задан последовательностью оснований в ДНК. При участии соответст­вующих ферментов между аминокислотами образуются химические связи. Аминокисло­ты отделяются от транспортной РНК, и гото­вый белок отходит от рибосомы (рис. 4).

белковый синтез

Рис. 4. Схема белкового синтеза

В ряде опытов было доказано, что место на информационной РНК, около которого должна находиться аминокислота, «распо­знает» группа оснований транспортной РНК, а не сама аминокислота.

Постановка этих опытов стала возмож­ной лишь после того, как белок тоже на­учились синтезировать вне организмов, в пробирке.

КОДОВЫЕ «СЛОВА»

Язык наследственности, записанный по­средством четырехбуквенного алфавита азотистых оснований ДНК, определяет с по­мощью различных типов рибонуклеиновых кислот последовательность аминокислот в белковых цепях. Но какие «слова» строятся из этих букв и как складываются эти «сло­ва» в «предложения»?

Если каждое «слово» должно соответст­вовать одной определенной аминокислоте и число букв в «словах» одинаково, то проще всего ответить на вопрос, сколько «букв» должно быть в таком «слове». Пользуясь четырехбуквенным алфавитом азотистых оснований, можно было бы составить четы­ре однобуквенных «слова», или (4 X 4) ше­стнадцать двухбуквенных «слов». Однако за­кодировать нужно двадцать аминокислот, и поэтому наименьшее число «букв» кодо­вого «слова» должно равняться трем. Из четырех нуклеотидов — аденинового, тиминового, гуанинового и цитозинового можно составить шестьдесят четыре (4X4X4) трехбуквенных «слова». Такого количества для двадцати аминокислот более чем доста­точно, и это наталкивает на мысль, что одну и ту же аминокислоту могут кодировать не­сколько таких трехбуквенных (или иначе — триплетных) «слова».

Код, в котором несколько нуклеотидных «слов» означают одну и ту же аминокисло­ту, называется вырожденным.

Первая «грамматика» языка наследствен­ности была предложена в 1954 году физи­ком Г. Гамовым. Это был так называемый триплетный вырожденный перекрывающий код. В схеме Гамова кодовые «слова» (име­нуемые иногда «кодонами») различаются только по составу нуклеотидов, входящих в слово, но не порядком их расположения. Так, по Гамову, кодоны ЦЦА, АЦЦ и ЦАЦ должны означать одну и ту же амино­кислоту. Этот способ разбивает 64 триплета на двадцать групп. Одна буква может участ­вовать сразу в трех словах. Например, в по­следовательности А Г Ц Г Т (аденин — гуа­нин — цитозин — гуанин — тимин) цитозино- вый нуклеотид участвует в кодировании сразу трех аминокислот. Кодирующие трип­леты в такой системе наползают друг на друга, перекрывают один другой, поэтому такой код и называют перекрывающимся.

Гипотезу о перекрывающемся коде мож­но проверить, основываясь на опытных дан­ных. Остроумным способом это проделал в 1957 году английский исследователь С. Брен­нер. К этому времени уже было известно довольно большое число аминокислотных последовательностей в белковых цепях, ко­торые и послужили Бреннеру материалом для анализа. Бреннер рассматривал пере­крывающийся вырожденный код. В нем до или после определенного кодового «слова» могут быть только четыре различных трип­лета. Если в последовательности АГЦГТ мы будем считать исходным триплет ГЦГ, то слева от него могут стоять лишь триплеты АГЦ, ТГЦ, ГГЦ, ЦГЦ, а справа ЦГА, ЦГГ, ЦГЦ и ЦГТ. В аминокислотных последо­вательностях белков у каждой аминокисло­ты встречается определенное число соседей слева и справа, именуемых С- и N-соседями. С-соседи присоединяются к аминокислоте со стороны карбоксильной группы, а N-соседи со стороны аминной. Если проанализи­ровать все известные белковые последова­тельности, то, например, для лизина можно насчитать 18 С- и 17 N-соседей, для тиро­зина —12 С- и 10 N-соседей, для триптофа­на — 3 С- и 3 N-соседа и т. д. Такое большое число соседей, например, для лизина воз­можно только в том случае, если перекры­вающийся код вырожден и лизин кодирует­ся по крайней мере пятью различными трип­летами (уже четыре кодирующих триплета позволяли бы лизину иметь только 4×4 = = 16 различных соседей). В соответствии с тем же принципом тирозин должен был бы кодироваться тремя триплетами, а для трип­тофана хватило бы одного. Просуммировав минимальные числа триплетов, необходимых для каждой аминокислоты, Брениер обна­ружил, что для того, чтобы закодировать уже известные последовательности амино­кислот, понадобится по крайней мере 70 раз­личных триплетов. Но так как в действи­тельности существуют только 64 триплета, то этим доказывается невозможность про­стого перекрывающегося триплетного кода…

Остроумный и убедительный вывод, но с одной оговоркой. Так как проводились ана­лизы аминокислотных последовательностей белков, выделенных из самых разных орга­низмов — от бактерии до человека, то эти рассуждения справедливы только в том случае, если во всей живой природе дейст­вует один генетический код.

Тем с большим интересом были приня­ты результаты опытов с заменой одних аминокислот другими в результате мутаций, для которых подобная оговорка становится несущественной.

МУТАЦИИ И ЗАМЕНА АМИНОКИСЛОТ

Если в результате какого-то процесса (действия радиации, химических веществ и т. д.) в последовательности АГЦГТ вместо Ц появится А, то в неперекрывающемся коде это должно привести к изменению лишь одной аминокислоты. Вместо амино­кислоты, кодировавшейся триплетом АГЦ, в белковой цепи появится аминокислота, кодируемая триплетом АГА. Но если код перекрывающийся, то замена Ц на А при­ведет к изменению сразу трех соседних аминокислот. Вместо    АГЦГТ будут триплеты АГАГТ.

Мутациями называют любые изменения наследственного материала. Очевидно, са­мыми распространенными мутациями долж­ны быть такие, в которых затрагивается элементарная единица — азотистое основа­ние. И если код перекрывающийся, такая точковая мутация должна приводить к заме­не трех аминокислот. Удобным материалом для экспериментальной проверки этого вы­вода оказались молекулы гемоглобина. Од­нако анализ выяснил, что во всех изученных случаях в них происходит замена только одной аминокислоты.

Мутации можно получать искусственно. РНК, наследственный материал вируса та­бачной мозаики (рис. 5) — первого вируса, открытого наукой, при втирании в листья растений вызывает такую же инфекцию, как и зрелый вирус, обладающий белковой обо­лочкой. В результате заражения и болезни появляются новые вирусные частицы, имею­щие внутренний стержень РНК и наружную белковую оболочку. На «обнаженную» ви­русную РНК можно подействовать различ­ными химическими агентами и получить раз­нообразные мутации. Втерев затем обрабо­танную РНК в табачные листья, удается со­брать «урожай» целых мутантных вирусов, одетых в белковые «шубы». Если белок этой «шубы» проанализировать и сравнить с нор­мальным, то можно определить характер случившихся в результате мутаций амино­кислотных замен.

Модель вируса

Рис. 5. Модель вируса табачной мозаики

Биологи Френкель-Конрат и Цугита (США) и Витман (ФРГ) обрабатывали вирус­ную РНК азотистой кислотой. Среди пример­но сотни разных мутантных вирусов, замены аминокислот в белке были обнаружены у тридцати трех. И ни в одном из этих тридца­ти трех случаев замена не затрагивала боль­ше одной аминокислоты.

После этих опытов неперекрывающийся характер кода можно было считать обосно­ванным достаточно прочно.

Значит, кодовые «слова» не наползают друг на друга и должны читаться так же, как слова в обыкновенной газетной строке, одно за другим. Но кроме слов мы видим в любом тексте заглавные буквы, пробелы, разделяющие слова, запятые, и, наконец, точку в конце предложения. Очевидно, ана­логи подобных грамматических элементов должны существовать и в «языке» наследст­венности.

Посмотрим, что должна представлять со­бой генетическая «фраза». Такой фразой можно считать участок ДНК, где находится информация, шифрующая одну белковую цепь. По современной терминологии этот участок называют цистроном.

ОБЩАЯ СТРУКТУРА КОДА

Ф. Крик и группа его сотрудников зани­мались исследованием двух цистронов (А и В) крохотного бактериального вируса (рис. 6). Бактериофаг Т4 заражает клетки ки­шечной палочки и уничтожает бактерии, вы­ращивая свое потомство за счет их ресур­сов. На чашке с питательной средой, на ко­торой растут тонкой пленкой бактерии, вок­руг фаговых частиц образуются светлые пятна, так как все микробы в этом месте оказываются «съеденными».

хромосома

Рис. 6. Схематическое изображение фаговой хромосомы и цистронов А и В, разделенных на сегменты

Стандартный, или, как говорят генетики, «дикий» тип фага Т4 может расти на бакте­риях разновидностей В и К. Но если в одном из двух (А или В) цистронов бактериофага произошла повреждающая мутация, то он теряет способность размножаться и образо­вывать стерильные пятна на бактериях раз­новидности К, сохраняя в то же время спо­собность роста на разновидности В.

Среди миллиардов таких мутантных час­тиц можно обнаружить единичные фаги, по тем или иным причинам вновь получившие способность к росту на бактериях К. Если бактерии В одновременно заразить двумя различными мутантными фагами, то в по­томстве таких «родителей» появятся и фаги, несущие сразу обе мутации, и фаги «дико­го» типа.

Чтобы понять, как это происходит, обра­тимся к простой аналогии. Представим себе, что в двух изданиях «Преступление и нака­зание» Ф. Достоевского, в одной и той же фразе допущены две опечатки в разных местах:

1) Это я убрл тогда старуху чиновницу и сестру ее Лизавету топором и ограбил.

2) Это я убил тогда старуху чиновницу и сстру ее Лизавету топором и ограбил.

Ясно, что с помощью клея И НОЖНИЦ из этих двух фраз с опечатками можно сделать одну без опечаток, но тогда во второй фра­зе будут уже обе опечатки сразу.

В природе вместо клея и ножниц дейст­вует процесс генетической рекомбинации. При этом генетический перекрест тем более вероятен, чем больше расстояние между «опечатками» — мутациями (рис. 7).

хромосома

Рис. 7. Генетическая рекомбинация двух мутантных фаговых хромосом

Группа Ф. Крика изучала мутации фага> Т4 на очень небольшом участке цистрона В в сегментах В1 и В2. Однако эти мутации несколько отличались от тех, с которыми мы встретились, рассматривая аминокислотные замены в белках вируса табачной мозаики.

Во фразе из Достоевского, которой мы воспользовались, опечатки различаются по своему характеру. Если первая состоит в замене одной буквы на другую, неправильную, то вторая заключается в выпадении значащей буквы. Мутации в вирусе табачной мозаики были «опечатками» первого рода и заключались в замене одного азотистого основания другим. А группа Ф. Крика ис­пользовала мутации, которые заключались в выпадении основания из цепи ДНК или в добавлении одного лишнего основания.

Как происходят такие мутации, ясно еще не до конца, но известно вещество, которое их вызывает — акридин. Исследователи об­рабатывали акридином фаговые частицы и скрещивали мутантов. В результате появ­лялся стандартный «дикий» тип фага, расту­щий на бактериях К, и мутант, несущий две «опечатки» Но в некоторых опытах на бак­териях К росли оба потомка…

Чтобы понять, в чем тут дело, посмотрим, что происходит с информацией при вставке или исчезновении одного знака. Генетиче­ская «фраза» — это цистрон. И проще всего считать, что она прочитывается, начиная с некоторой фиксированной точки подряд, «слово за словом». Если между ними нет пробелов или «запятых», то последующее «слово» отличается от предыдущего благо­даря тому, что все «слова» состоят из трех «букв» и чтение начинается с первой «бук­вы» первого «слова».

Например:

Кот кот кот кот кот кот

Но если будет вставлена всего одна бук­ва, то весь смысл текста исказится:

Кот око тко тко тко тко тко

Если буква выпадет, произойдет то же самое:

Кот кот кот ктк отк отк отк

А если вставку и выпадение скомбиниро­вать вместе, то чтение информации будет неправильным только на небольшом участке между опечатками.

Кот око тко ткт кот кот кот

В этом и заключается секрет жизнеспо­собности некоторых двойных мутантов, хотя любая из двух мутаций в отдельности при­вела бы к гибельным последствиям. Очевид­но, небольшой участок измененной инфор­мации между двумя мутациями в сегментах В1 и В2 не столь уж существен для рос­та фага на бактериях К.

Если любую произвольно выбранную му­тацию мы обозначим как плюс, то, очевид­но, мутацию, которая в комбинации с нею дает жизнеспособный фаг, следует обозна­чить знаком минус. Если ( + ) означает встав­ку основания, то (—) означает его нехватку, и наоборот. Понятно, что комбинация ( + ) с ( + ) или (—) с (—) всегда будет давать нежизнеспособную фаговую фастицу, а ( + ) с (—) «псевдодикий» фаг, растущий на бак­териях К; однако это будет происходить далеко не во всех комбинациях ( + ) и (—).

Комбинации ( + ) и (—) дают жизнеспо­собные фаги только в тех случаях, когда мутации ( + ) и (—) лежат не слишком дале­ко друг от друга и участок неправильно про­читываемой информации не слишком велик.

В отдельных редких случаях даже близко­расположенные ( + ) и (—) дают нежизне­способный фаг. Очевидно, в измененной по­следовательности между такими ( + ) и (—) встречается «бессмысленный» триплет. Ведь триплетов шестьдесят четыре, а аминокис­лот двадцать, и поэтому вполне вероятно, что один-два триплета не означают никакой аминокислоты, а говорят, например, о том, что здесь начало или конец «фразы». На та­ких триплетах «чтение» обрывается.

Малое число «бессмысленных» трипле­тов позволяет сделать важный вывод, что несколько триплетов могут кодировать одну аминокислоту, и следовательно, код вырож­ден. Естественно, что триплеты, начинающие или обрывающие чтение кодовой последо­вательности, должны находиться в начале и конце цистрона. А что, если попытаться срастить два цистрона, выбросив из генети­ческого материала «точку» на конце цистро­на А и «заглавную букву» в цистроне В?

Ф. Крик и его сотрудники проделали подобный эксперимент.

Существуют мутации, известные под на­званием делеций. Они представляют собой выпадения наследственного материала, иног­да довольно значительных кусков ДНК. Делеция 1589 фага Т4 как раз затрагивает участок в «куске» цистрона А и маленький участок в начале цистрона В (рис. 8). Фаг с такой делецией неактивен, но специальным приемом можно обнаружить активность цистрона В.

Очевидно, теперь цистроны А и В дол­жны прочитываться как одна «фраза». Дей­ствительно, Крик обнаружил, что мутация — безразлично (—) или ( + ), внесенная в цис­трон А, полностью инактивирует цистрон В. В отсутствие делеции 1589 мутации в цист­роне А никогда не оказывали влияния на активность цистрона В. Но если в цистроне А в присутствии делеции 1589 комбинировали ( + ) с (—), то активность цистрона В вос­станавливалась.

цистрон

Рис. 8. «Сращивание» цистронов А и В с помощью делеции 1589

Очевидно, картина выглядит так. На мо­лекуле фаговой ДНК с делецией 1589 на двух А и В — цистронах синтезируется одна молекула информационной РНК. Если такая молекула РНК образует белок, то он должен быть «гибридом». С одной стороны белко­вая цепь будет иметь аминокислотную по­следовательность, кодируемую цистроном А, с другой стороны — цистроном В. Пра­вильного «хвоста», зашифрованного В-цистроном, оказывается достаточно для успеш­ного функционирования белка.

До сих пор мы все время говорили о триплетах оснований. Однако если снова внимательно проанализировать опыты груп­пы Крика, то можно видеть, что результаты их не претерпели бы абсолютно никаких из­менений, если бы кодовые «слова» были, например, четверками или пятерками осно­ваний. Точно так же вставка или выпадение оснований расстраивали бы механизм счи­тывания, а комбинация ( + ) и (—) мутаций при определенных условиях восстанавлива­ла бы его. Блестящим решающим экспери­ментом группа Крика устранила и эту неяс­ность. На небольшом участке цистрона В исследователи скомбинировали сразу три однотипные мутации. Это были либо ( + ) ( + ) ( + ). либо (—) (—) (—) мутации. Если участок, на котором они располагались, был достаточно мал, то функция цистрона В вос­станавливалась. Что происходит при этом с генетической информацией, нетрудно уви­деть на том же примере с триплетом КОТ.

Кот кко тко ктк отк кот кот кот кот

Начиная с третьей вставки, триплетная информация считывается нормально. Таким образом, прямое экспериментальное под­тверждение получила и триплетность кода.

ПРАВИЛА ЯЗВЫКА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

В заключение рассказа об общей струк­туре генетического кода сформулируем, следуя Крику, основные правила языка на­следственности.

1) Генетический код триплетен. Одну аминокислоту кодирует группа из трех азо­тистых оснований.

2) Код неперекрывающийся и кодовые слова прочитываются одно за другим без «пробелов» и «запятых».

3) Правильный выбор триплетов происхо­дит благодаря тому, что считывание начи­нается с определенной точки цистрона.

4) Код вырожден, то есть одна амино­кислота кодируется разными триплетами оснований, так как число «бессмысленных» триплетов мало.

РОЗЕТТСКИЙ КАМЕНЬ ГЕНЕТИКИ

Хотя мы уже подходим к концу статьи, но до сих пор не назвали ни одного «слова» своеобразного языка наследственности. Ко­довые «слова» долго оставались загадкой для науки и еще, пожалуй, году в 1960 ка­залось, что день расшифровки этих «иерог­лифов жизни» совсем не близок.

Дело в том, что хотя последователь­ность аминокислот во многих белках была известна, никто не определил последова­тельность азотистых оснований хотя бы в одной молекуле ДНК.

И только в августе 1961 г. на V Между­народном биохимическом конгрессе в Мос­кве прозвучало сообщение о том самом «случайном» открытии, с которого мы нача­ли рассказ.

Молодые американские биохимики М. Ниренберг и Г. Маттеи работали с бесклеточной синтезирующей белок системой, выделенной из кишечной палочки. Из раз­личных организмов они получали информа­ционную РНК и следили за синтезом белка при добавлении ее в систему. При введении в систему «бессмысленного» полимера не должно было происходить белкового синтеза. Чтобы контролировать это, Ниренберг и Маттеи добавляли туда же полирибонуклеотид, синтезированный в пробирке из одних только адениновых нуклеоти­дов.

Однажды в лаборатории кончились по- лирибоадениловая кислота и ученые вместо нее добавили полиуридиловую кислоту. Вне­запно оказалось, что система вырабатывает белок, состоящий из аминокислот только одного вида — фенилаланиновых (рис. 9).

Ниренберг и Маттеи начали добавлять в синтезирующую систему искусственные полирибонуклеотиды. «Текст» полирибонук- леотида был заранее известен. А после того как его «прочитывала» и строила белковый полимер синтезирующая система, можно было проанализировать получившийся про­дукт. «Розеттский камень», по сути говоря, всякий раз создавался заново руками экспе­риментаторов, работавших с рибосомной си­стемой, которая выполняла «перевод» с нук­леотидного языка на язык аминокислот­ный.

белковая цепь

Рис. 9. Синтез белковой цепи из фенилаланиновых аминокислот на матрице полиуридиловой кислоты (поли У)

В способе Ниренберга и Маттеи даже не требовалось трудоемкого анализа состава и аминокислотной последовательности белко­вых цепей. К синтетической системе, где роль информационной РНК играет опреде­ленный искусственный полирибонуклеотид, добавили сразу все двадцать аминокислот. Одна из них несла радиоактивную метку. Если радиоактивность обнаруживали в бел­ковом продукте, то это означало присутст­вие в полирибонуклеотиде триплетов, коди­рующих эту аминокислоту. Повторив эту операцию двадцать раз со всеми возмож­ными аминокислотами, экспериментаторы узнали, какие аминокислоты кодируют тот или иной полирибонуклеотид.

«Словарь» кодовых слов

«Словарь» кодовых слов по результата группы М. Ниренберга

Результаты дешифровки триплетов бле­стяще подтвердили справедливость правил, сформулированных Криком.

Код триплетен, так как ни разу для включения какой-либо аминокислоты не понадо­бился полимер, в котором присутствовали бы все четыре азотистых основания. Для кодирования любой аминокислоты хватало трех компонентов.

Код вырожден, и одну и ту же амино­кислоту могут кодировать триплеты различ­ного состава, иногда даже четырех разных видов.

Предсказание Гамова, что важен только состав триплета, не сбылось, и наряду с со­ставом важнейшей характеристикой трипле­та следует считать порядок оснований в нем. Здесь и обнаруживается зияющий провал в нашем кодовом «словаре». Мы знаем какие буквы образуют те или иные слова, но не знаем, как они располагаются внутри «слова».

Однако на VI Международном биохими­ческом конгрессе в Нью-Йорке в августе 1964 года тот же Ниренберг сообщил, что он, по-видимому, нашел ключ к решению и этой проблемы.

Ниренберг вместе со своим сотрудником Лидером стал добавлять к рибосомальной системе искусственные полирибонуклеотиды, состоящие всего из трех звеньев. Для коротеньких молекул-триплетов можно пол­ностью контролировать последовательность оснований. Как ни странно, но такие коро­тенькие информационные РНК закрепляются на рибосомах и, самое главное, они способ­ны связать с рибосомой молекулы соответ­ствующей транспортной РНК. Напомним, что тройка азотистых оснований транспортной РНК образует водородные связи с компле­ментарным кодовым триплетом инфор­мационной РНК. Аминокислоты, «садящиеся» на транспортную РНК, можно пометить ра­диоактивным атомом С14 и в серии опытов установить, какая именно аминокислота свя­зывается через РНК с рибосомой. Когда Ниренберг и Лидер запустили в такую систе­му триплет УУУ, то, естественно, с рибосо­мой связался фенилаланин. Затем в систему запустили по очереди все три триплета со­става 2У1Г, который соответствует валину. Транспортная РНК валина оказалась «равно­душной» к триплетам УГУ и УУГ, но в бук­вальном смысле слова «ухватилась» за трип­лет ГУУ. Значит, кодовое слово для валина ГУУ. Видимо, в ближайшее время исследо­ватели наведут порядок и во всех остальных триплетах.

УНИВЕРСАЛЕН ЛИ ЯЗЫК НАСЛЕДСТВЕННОСТИ?

Последний вопрос, который мы поста­раемся выяснить в этой статье, насколько универсален язык наследственности? Поль­зуются ли одним генетическим кодом фаг кишечной палочки Т4 и высокоорганизован­ною организмы?

Сведения о коде, которыми мы распола­гаем, появились в основном в результате исследований микроорганизмов. Группа Крика работала с бактериофагами Т4, а Ни­ренберг — с синтезирующей белок системой кишечной палочки. Но оказалось, что бес- клеточные системы, синтезирующие белок, могут быть выделены и из тканей млекопи­тающих. Искусственные полирибонуклеотиды, введенные в такие системы, вызывают включение в белковую цепь тех же амино­кислот, что и в системе кишечной палочки. Шесть кодовых триплетов, расшифрованных в таких системах, ничем не отличаются от общепринятых.

Информационная РНК, выделенная из разных организмов и введенная в систему кишечной палочки, вызывает синтез белков, характерных для того организма, из кото­рого выделили РНК. Правда, по неизвестным пока причинам полной специфической ак­тивностью такие белки не обладают.

Однако в общем и целом генетический код, по-видимому, одинаков во всей живой природе. Даже в том случае, если некоторые виды организмов пользуются одними трип­летами и избегают других, свойство вырожденности кода позволяет оставаться в пре­делах общей кодовой схемы.

Универсальность кода свидетельствует о том, что он появился на самых ранних ступенях зарождения жизни. Детальное понимание структуры генетического кода несомненно поможет в наших усилиях по­стигнуть этот величественный процесс.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>