МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ

Молекулярні основи спадковості становлять нук­леїнові кислоти — ДНК (у всіх мікробів, одноклітин­них, рослинних організмів, комах, тварин) та РНК (у деяких вірусів, зокрема онкогенних). Саме в цих вели­ких біополімерах за допомогою єдиної мови, алфавіт якої складають 4 літери — нуклеозиди, записана гене­тична інформація живих істот. У ДНК інформація вик­ладена чергуванням аденіну (А), тиміну (Т), гуаніну (Г) та цитозину (Ц), які утворюють певні послідов­ності, зв'язуючись залишками дезоксирибози та фос­фором в одноланцюгову молекулу. Потім два компле­ментарні один одному ланцюги утворюють водневі зв'язки: аденін-тимін (AT) та гуанін-цитозин (ГЦ), які закручуються й утворюють подвійну спіраль, переваж­но правогвинтову, одночасно біологічну та інформаційну (рис. 2, «зміїні сходи»). Молекула РНК має односпіраль-ну структуру. До її складу замість тиміну входить ура­цил (У), а замість залишку дезоксирибози — рибоза (хімічно дещо інша пентоза).

Молекула нуклеїнової кислоти (НК) має здатність до розмноження, подвоєння або реплікації. Розмножу­ються, тиражуються не білки, а нуклеїнові кислоти. Занаявності необхідних компонентів та відповідних фер­ментів на матриці кожної нитки двоспіральної ДНК (після їх роз'єднання) синтезується комплементарний ланцюг нової ДНК. Реплікація має напівконсерватив-ний, матричний характер. У кожній двоспіральній мо­лекулі міститься і материнський (старий), і дочірній (новий) ланцюг нуклеотидів.

На рівні одноклітинних організмів немає смерті від старості. Цей механізм забезпечує стабільність генетич­ної інформації, її збереження при процесі передачі нащадкам.

 

Під час реалізації генетичної інформації відбувається декодування: мова нуклеїнових кислот (чотири літе­ри А, Т, Г, Ц) має бути перекладена на мову білків (20 амінокислот, умовно 20 літер). Це можливо завдяки кодовому принципу: одній амінокислоті відповідає за­пис з трьох нуклеотидів у нуклеїновій кислоті. Наприк­лад, послідовність аденін, аденін, аденін (ААА) кодує фенілаланін, а АТТ — лізин. Тому генетичний код — триплетний. Але з 4 літер (А, Т, Г, Ц) можна одержати 64 різні комбінації по 3 літери (4³ = 64), а у природі існує тільки 20 амінокислот. Інші триплети (кодони) — сполучення трьох нуклеотидів — не зайві. Три з них (АТЦ, АЦТ, АТТ) — термінуючі, вони свідчать про кінець синтезу, розділові знаки (як у мові — крапка, кома тощо). Інші забезпечують запас міцності геному, бо кодують ті ж самі амінокислоти, що й основні трип­лети (рис. 3). Тому генетичний код — вироджений: одна амінокислота може бути закодована в ДНК 2—4 триплетами. В одному гені кодони розташовані один за одним, як слова у реченні, не перекриваються, що спрощує запис та робить його стабільним. Генетич­ний код не перекривається. У всіх живих організмів на Землі в генетичній програмі ті ж самі триплети кодують ті ж самі амінокислоти. Генетич­ний код ще й у н і ве реальний . Маємо запам'я­тати ознаки генетичного коду/ триплетний, вироджений, не перекривається, універсальний. Але у кожному правилі існують винятки. В останні ЗО років дослідники вивчали і збирали такі виключення, їх виявилося багато, виникли нові гіпотези та теорії, що і призвело до виникнення сучасної мобільної гене­тики, яка прийшла на зміну генетиці класичній. Зараз ми знаємо, що: 1) генетична програма не є зовсім стабільною: існують мобільні дисперговані гени, або еле­менти, що змінюють своє положення, стрибають з місця на місце; 2) усередині гена існують ділянки зі змістом (екзони) та без нього (інтрони); 3) велика кількість

інформації має регуляторні функції; 4) ген — поді­льний; 5) у геномі мають місце не тільки унікальні кодуючі послідовності, але й величезна кількість по­вторів інформації; 6) запис генетичної інформації уюжє відрізнятися від універсального. Інформаційні молеку­ли містяться в клітинах еукаріотів не тільки у ядрі (основна, найбільша програма), але й у деяких органе-лах цитоплазми: мітохондріях, плазмідах, інших ДНК-чи РНК-носіях. Так-дт, в мітохондріях код відрізняється від універсального.

Реалізація"генетичної інформації, а саме синтез білка, здійснюється в цитоплазматичних структурах — ри-

босомах. Для того щоб план будови білка донести від ДНК до рибосом, клітина має спеціальні механізми та рухомі молекули. З того, що знаємо нині, механізм нази­вається транскрипцією, а молекули — це різні види РНК. Транскрипція означає переписування інформації з ДНК на РНК. Головним же в синтезі білка є трансля­ція — переклад інформації з однієї мови на іншу.

Кодовий запис про структуру білкової молекули переноситься з ДНК на інформаційну (матричну) РНК (вона ж РНК-переносник, лат. «месенджер», синоніми: іРНК, мРНК, т-РНК) шляхом комплементарного, мат­ричного синтезу РНК на ДНК, який можна порівняти з реплікацією (синтез ДНК на ДНК). Молекула РНК копіює весь ген еукаріотів разом з незначущими інтро-нами. Такі тимчасові молекули називаються пре-іРНК.

Молекули пре-іРНК переміщуються з ядра до ци­топлазми, а саме до рибосом, що складаються з рибо-сомних РНК (рРНК) та білків. По дорозі пре-іРНК модифікуються, з них видаляються незначущі ділянки кода (інтрони). Значення інтронів, мабуть, дуже важли­ве, але ще повністю не розшифроване.

Третій вид РНК складають відносно маленькі (де­сятки нуклеотидів) молекули транспортних РНК (тРНК), які приносять до рибосом специфічні активо­вані амінокислоти (рис.4), ставлять їх на відповідне місце в поліпептидному ланцюгу, визначене кодоном іРНК. Тільки молекула тРНК має в своєму складі антикодон, комплементарний до кодону іРНК.

Ми вже визначили, чим РНК відрізняється від ДНК. Білок синтезується за планом іРНК, тому і триплети, що кодують амінокислоти, найчастіше записуються ком­плементарною мовою РНК, для фенілаланіну це буде УУУ, термінуючі кодони УАГ, УГА, УАА.

Таким чином процес реалізації спадкової інформації від гена до фену (синтез білка — один з них) має вигляд: ДНК>РНК>білок. Довгий час ця формула

 

_£Z - І потоку генейрНїоІ Інформації вважалася центральною

догмою генетики., _s І

У наш час мобільної генетики встановлено існуван­ня процесу перенесення інформації від РНК до ДНК. Зворотна транскрипція була передбачена І відкрита С.М Гершензоном (рис.5) та експериментальне оста­точно доведена лауреатом Нобелівської премії Г.М.Тьо-

міним. Якщо до цього додати реплікацію ДНК на ДНК та РНК на РНК (можливо, існує у деяких вірусів), то остаточний запис потоку інформації буде мати такий вигляд:

Синтез нуклеїнових кислот на матриці білка поки що не доведений і, напевно, блокований законами тер­модинаміки. Для його проблематичного існування не­обхідними мають бути невідомі нам енергопостачальні джерела.

Наприкінці XX ст. стало відомо, що в генотипі лю­дини міститься 50—100 тис. різних генів. Вони коду­ють продукти, необхідні для існування клітини (ку­хонні гени), організму (гени розкоші), або, на нашу думку, не кодують нічого. Останні зараз звуться егої­стичними генами, надлишковою генетичною інфор­мацією, що може містити або пам'ять про минулу ево­люцію, або бути резервом (планом) майбутньої ево­люції.

Увесь обсяг генетичної інформації знаходиться під суворим контролем регуляторних механізмів. Усі гени взаємодіють між собою, створюючи єдину систему. Регуляція їх активності відбувається як за відносно простою схемою — продукт гена змінює активність цього чи іншого гена, так і шляхом складного багаторівнево­го механізму. Він включає процеси регуляції актив­ності генів на етапах транскрипції (до, під час та після неї), трансляції (до, під час та після неї), узгодженої, каскадної групової регуляції праці генів (їх експре­сія), участі в цьому процесі гормонів (загальні сигнальні

речовини), хімічної модифікації ДНК та інших загаль­них модифікаторів експресії генів. Експресія окремого гена залежить від того, в якому складі (генотипі) цей ген перебуває. Тому існує різна пенетрантність (прояв­лення) та експресивність (вираження) генів як нор­мальних (дикий тип), так і мутантних алелів.

Ці поняття вперше введені в генетику М.В.Тимо-феєвим-Ресовським. Конкретний генотип людини виз­начає ступінь пенетрантності та експресивності певних хвороб, навіть до відсутності клінічної картини пато­логії за наявності, здавалося б, необхідної кількості мутантних генів.