Транскрипция ДНК

При рассмотрении вопроса о том как генетическая информация заложенная в ДНК реализуется в процессе синтеза белка Уотсон и Крик теоретически предсказали существование и-РНК (посредника).

РНК отличается от ДНК тем, что у нее углеводом является рибоза вместо дезоксирибозы. Кроме того, вместо нуклеотида тимина у нее урацил (рис. 7). И наконец, в отличие от ДНК она имеет в основном одноцепочечное строение.

В 1962 г. Э. Волкин и Л. Астрохан обнаружили, что при синтезе белка в клетках E. coli, зараженных фагом Т2 резко усиливается синтез короткоживущих молекул РНК, которые были комплементарны одной из цепей фага Т2, но не ДНК E. coli. Позднее в многочисленных экспериментах было показано, что наследственная информация, записанная в ДНК (гене), точно транскрибируется (переписывается) в нуклеотидную последовательность короткоживущих и-РНК, которые определяют синтез конкретных белков у всех организмов.

Транскрипция осуществляется с помощью фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразыи всегда идет в направлении 5'-3'. Матрицейдля синтеза и-РНК служит только одна цепь ДНК - 3'-5', которая (как ни странно) называется некодирующей.. Комплементарная ей цепь 5'-3', последовательность нуклеотидов в которой совпадает с последовательностью и-РНК называется кодирующей. Синтез и-РНК начинается с участка инициации транскрипции, называемого промотором. Промотор расположен перед геном и включает 40-80 нуклеотидов. В нем имеются важный участок «ТАТА-бокс»(рис. 8,а). При помощи белковой σ-субъединицы РНК-полимераза соединяется с промотором и разъединяет комплементарные цепи ДНК в области ТАТА последовательности (рис. 8,б). Затем этот фермент двигается вдоль гена и по мере разъединения цепей ДНК на одной (3'-5'), ведет синтез и-РНК, согласно принципу компле­ментарности присоединяя аденин к тимину, урацил к аденину, цитозин к гуанину и гуанин к цитозину (рис. 8,в). Те участки гена, на которых полимераза образовала и-РНК, вновь соединяются, а синтезируемая молекула и-РНК постепенно отделяется от ДНК. Конец синтеза и-РНК определяется участком остановки Рис. 8.Схематическое изображение этапов транскрипции

 

транскрипции – терминатором (рис. 8,г). Нуклеотидные последовательности промотора и терминатора узнаются специальными белками, регулирующими активность РНК-полимеразы.

У эукариот в структурной части гена имеются отрезки ДНК, не содержащие ин­формации, которые были названы интронами. Участки ДНК, несущие информацию, называются экзонами(рис. 9).

 

В ходе считывания информации с определенного участка ДНК (гена) сначала образуется первичный транскрипт всей последовательности (про-мРНК), а затем происходит процесс сплайсинга(сшивания), который заключается в том, что интроны из РНК как бы «выпетливаются» и удаляются, а информативные участки – экзоны соединяются при помощи фермента сплайсазы в одну непрерывную последовательность и-РНК. Перед выходом из ядра к начальной (5') части и-РНК присоединяется метилированный гуанин, называемый «КЭП»(колпачек), а к 3'-концу и-РНК присоединяется примерно 200 остатков аденина, образуя поли-А хвост(рис. 9). В таком виде зрелая и-РНК (матричная РНК) проходит через ядерную мембрану в цитоплазму, где соединяется с рибосомой. Считают, что у эукариот «КЭП» и поли-А хвост защищают и-РНК от разрушения в ходе ее продвижения к рибосомам в цитоплазме. Предполагается также, что «КЭП» играет определенную роль в связывании и-РНК с малой субчастицей рибосомы.

. 1.5 Генетический код

Идея о том, что гены контролируют структуру белков, впервые была высказана в 1902 г. А. Гэрродом, изучавшим алкаптонурию – врожденное наследственное заболевание, при котором организм не расщепляет гомогентизиновую кислоту, что приводит к серьезным нарушениям метаболизма.

В 1941 г. Г. Бидл и Э. Татум на основе генетических экспериментов на грибке Neurospora crassa показали, что одна мутация приводит к потере метаболической активности только одного фермента (белка) и установили закономерность: один ген – один белок.

После открытия Уотсона и Крика необходимо было понять, как последовательность из 4-х азотистых оснований в ДНК, из которых состоит ген определяет (кодирует) последовательность из 20 амино-кислот в белке. Можно было предположить, что генетический код не может состоять из одного или двух нуклеотидов, так как их только четыре и сочетаний из двух нуклеотидов (4²) может быть только 16, а аминокислот 20. Мысль о том, что генетический код должен быть триплетным впервые в 1954 г высказал физик Г. Гамов. В этом случае (4³) получается 64 триплетных сочетания, и их вполне достаточно для кодирования всех аминокислот.Триплет – три рядом стоящих нуклеотида, кодирующих одну аминокислоту получил название кодона.

Начало экспериментальному анализу по расшифровке генетического кода положили в 1961 г. М. Ниренберг и Дж. Матеи. Они создали простейшую искусственную иРНК, содержащую только урацил, Затем вводили полиУ РНК в бесклеточную среду из кишечной палочки E. coli. В результате был получен полипептид, состоящий только из фенилаланина. Таким образом, кодон для фенилаланина был расшифрован как УУУ.

Уже к 1966 г. на основе методов, разработанных Кораной, Ниренбергом и Ледером, были определены все триплеты, кодирующие ту или иную аминокислоту и следовательно генетический код был полнос­тью расшифрован. Структура генетического кода по иРНК представлена ниже в виде таблицы1. Оказалось, что 61 триплет кодирует аминокислоты, а 3 триплета УАА, УГА и УАГ являются «стоп кодонами» и соответственно останавливаютпроцесстрансляции(табл. 1). Таким образом, усилиями ученых в течение нескольких лет удалось полностью выяснить природу связи между структурой гена и соответствующего белка.

В результате проведенных исследований были установлены все основные свойства генетического кода: триплетность - каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами; неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов; колинеарность - порядок расположения кодонов в иРНК совпадает с порядком расположения аминокислот в синтезирующейся полипептидной цепи; вырожденность - 18 из 20 аминокислот (кроме метионина и триптофана), кодируются более чем

одним триплетом; универсальность - код одинаков практически для всех живых организмов.

Таблица 1. Соответствие кодонов и-РНК аминокислотам

Основания кодонов
первое	второе	третье
У	Ц	А	Г
У	У Ц А Г	Фен Сер Тир Цис	Фен Сер Тир Цис	Лей Сер – –	Лей Сер – Три
Ц	У Ц А Г	Лей Про Гис Арг	Лей Про Гис Арг	Лей Про Глн Арг	Лей Про Глн Арг
А	У Ц А Г	Иле Тре Асн Сер	Иле Тре Асн Сер	Иле Тре Лиз Арг	Мет Тре Лиз Арг
Г	У Ц А Г	Вал Ала Асп Гли	Вал Ала Асп Гли	Вал Ала Глу Гли	Вал Ала Глу Гли

 

Обозначения аминокислот: Ала - аланин, Арг - аргинин, Асп - аспарагиновая кислота, Асн - аспарагин, Вал - валин, Гис - гистидин, Гли - глицин, Глн - глутамин, Глу - глутаминовая кислота, Иле - изолейцин, Лей - лейцин, Лиз - лизин, Мет - метионин, Про - пролин, Сер - серин, Тир - тирозин. Тре - треонин, Три - триптофан, Фен - фенилаланин, Цис -цистеин.

Интересно отметить, что в митохондриях четыре кодона имеют другую кодировку: кодон УГА определяет триптофан, АУА - метионин, а кодоны АГА и АГГ стали терминирующими. Открытие новых кодонов у митохондрий может служить доказательством того, что код эволюционировал и не сразу стал таким как сейчас.