Теория гена

 Бывают буквы, - продолжала Екатерина, -
 начертанные так, что открывают путь
 для целого ряда предсказаний...

А. Дюма. Королева Марго

Рассказ о познании законов наследственности и о генной инженерии был бы невозможен без представления "главного героя" - гена.

Многие открытия науки зиждутся на случайно возникших догадках, озаривших человека. Открытие колеса, возможно, связано с наблюдением за перекати-поле, гонимым по степи ветром, или, допустим, диким арбузом, перекатываемым потоком воды после тропического дождя.

Вильгельм Иогансен, вводя в обиход биологов термин "ген", полагал, что это просто короткое и удобное слово. Лишь много позднее под геном начали понимать нечто реально существующее, хоть и невидимое даже вооруженным глазом. И только относительно недавно гены увидели воочию, чуть позднее синтезировали и заставили работать синтезированный ген.

В современном понимании ген - участок ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) со строгой последовательностью составляющих его четырех сортов нуклеотидов. Он несет в себе информацию, управляющую развитием определенного признака (например, белого, розового, красно-фиолетового или сине-фиолетового цветка у картофеля). Один ген, занимающий четко фиксированное положение в каждой паре идентичных (гомологичных) хромосом, нередко контролирует в зависимости от направления доминирования и химического состояния цитоплазмы, иногда зависящего от внешней среды (даже, бывает, от температуры), проявление нескольких признаков. Четкие, химически специфичные состояния одного гена биологи именуют аллелями этого гена. У некоторых генов этих аллелей насчитывают десятки.

Гены делимы, о чем долго не подозревали, и их действие зависит от суммарного или частичного отключения функционирования отдельных звеньев, активируемых цитоплазматической средой (как известно, ядро клетки с его совокупностью хромосом и генов покоится, или, вернее, "работает" в цитоплазме, окруженной клеточной оболочкой). Внешняя среда влияет на выражение потенциальных возможностей развития клетки, тогда как пределы этих возможностей (норма реакции) контролируются генотипом - совокупностью генов.

Ген управляет образованием определенного фермента, обусловливающего развитие признака, свойства или функции. Но в то же время ген может влиять на развитие различных признаков, что в генетике получило название множественного, или плейотропного, эффекта. Действие отдельных генов зависит от положения их в хромосоме и связано с влиянием других генов в хромосоме, то есть гены хромосомы функционально взаимосвязаны.

Как же ген, то есть участок ДНК, кодирует образование конкретного белка-фермента, состоящего из определенных аминокислот? В организме этот процесс происходит постоянно по такой схеме. Прежде всего с помощью фермента РНК-полимеразы с "заработавшего" участка ДНК (обычно на нем "записаны" сведения о строении только одного белка) снимается копия в виде молекулы РНК - рибонуклеиновой кислоты. В сущности такой участок ДНК генетики и называют геном. РНК-вую копию гена (точный "отпечаток" гена) именуют матричной РНК (мРНК). Как ДНК состоит из четырех сортов нуклеотидов ("букв"), так и РНК-вый "текст" включает всего лишь четыре "буквы". Именно по последнему на рибосомах (мельчайшие частицы в цитоплазме) и синтезируется белок-фермент. Рибосомы, несмотря на мизерные размеры (150-350 ангстрем), представляют собой сложные агрегаты, состоящие из молекул белка и рибосомальных РНК (рРНК). Структура рРНК (а она тоже копируется с ДНК) подобна структуре мРНК, только расположение нуклеотидов иное.

Рибосома пропускает через себя нить мРНК, тщательно считывая закодированный текст-приказ, поданный по "телеграфу" ДНК "буквами" из нуклеотидов, и синтезирует необходимую белковую последовательность аминокислот. Естественно, при получении текст-приказ должен быть декодирован (расшифрован). В клетке роль дешифровалыцика исполняет третий вид РНК - транспортная (тРНК). Она "по совместительству" еще и возница, так как подвозит к рибосомам аминокислоты (их сборка идет на рибосоме) - материал для построения белка. Аминокислоты отделяются от тРНК и готовый белок отходит от рибосомы.

Как 'работают' информационная (матричная) и транспортная РНК

Одна и та же аминокислота может быть закодирована несколькими трехбуквенными (триплетными) "словами" - кодонами. Поэтому генетический код оказывается в какой-то степени избыточным, или, как говорят генетики, "вырожденным".

При обработке азотистой кислотой вируса табачной мозаики (ВТМ), состоящего из РНК, одетой в белковый чехол, удается получить сотни мутантов. Но ни в одном случае химикам не удалось заметить, чтобы мутация затрагивала в белковом чехле более одной аминокислоты. Иначе говоря, кодовые "слова" (кодоны) не перекрывают друг друга и "читаются" как в строке письма, но без разрывов и запятых между словами. Например, как в следующей фразе: "тоткотбылмот". Но вот что любопытно, оказывается, один ген "со всеми удобствами" способен разместиться внутри другого гена, не мешая "работать" или "отдыхать" последнему. А гены действительно могут "отдыхать", ничем себя не проявляя до поры до времени, а то и все время существования организма. Это открытие породило сомнение в том, что генетическая информация для каждого белка всегда записана на разных и неперекрывающихся участках ДНК.

Считывание кода идет с точно определенной точки ("буквы") и в одном направлении (в приведенной "модельной" фразе от "т" до "т" - "тоткотбылмот" или, допустим, от "к" до "л" во фразе "котбылбелкакмел").

Приведенные фразы составлены из трехбуквенных слов не случайно. Триплетность генетического кода доказана работами Ф. Крика. Это значит, что каждую аминокислоту ("тот", "кот", "был", "мот") кодирует группа из трех азотистых оснований.

А сколько всего может быть кодонов? Подсчитать просто. Нуклеотидов известно четыре сорта. Каждая аминокислота кодируется тремя буквами. Итак, 43 = 64 кодона. А аминокислот (аминокислотных остатков белка) - всего лишь 20. Значит, часть кодонов "болтается" впустую? Нет, не так. Все кодоны в клетке кое-что да значат. Это, например, стоп-сигналы, обозначающие конец белковой цепи, поэтому их называют терминирующими (оканчивающими) кодонами.

Если ДНК состоит из кодонов, то тРНК - из антикодонов. У каждой аминокислоты - своя тРНК, у каждого кодона - свой антикодон. Поэтому-то транспортные РНК доставляют к рибосоме для сборки белка каждую аминокислоту точно в то место, какое она занимает в молекуле белка, то есть туда, где в цепи матричной РНК стоит ее кодон.

Прочтению "розеттского камня" генетики наука обязана американским биохимикам М. Ниренбергу и Г. Маттеи (1961). В одном из опытов исследователи в бесклеточную синтезирующую белок систему, выделенную из кишечной палочки, добавили полиуридиловую кислоту. При этом выяснилось, что система начала вырабатывать белок, состоящий исключительно из фенилаланиновых кислот.

Ученые заинтересовались неожиданным открытием и стали попеременно добавлять в синтезирующую среду искусственные полирибонуклеотиды с заранее известным кодовым "текстом". Каждый раз система "обеспечивала" синтез новой аминокислоты.

Снабдив каждую из 20 аминокислот радиоактивной меткой, исследователи при обнаружении радиоактивности в белковом продукте легко определяли, какие аминокислоты кодируют тот или иной полирибонуклеотид. В результате американские биохимики, а позднее и другие ученые установили своеобразный "словарь" кодовых слов.

Своими опытами Ниренберг и Маттеи вновь подтвердили справедливость основных положений генетического кода, в частности, его триплетность: для синтеза какой-либо аминокислоты ни разу не потребовался полимер, который включал бы все четыре азотистых основания. Для кодирования аминокислоты хватало трех азотистых оснований.

Но Ниренберг и Маттеи еще не знали, как синтезировать кодоны с заданной последовательностью. Впервые такую работу выполнил индийский ученый Хар Гобинд Корана, работая в одной из лабораторий в США. Он синтезировал тринуклеотиды РНК, что дало толчок к синтезу искусственных генов. Сначала синтезировали ген инсулина человека, содержащий около 200 нуклеотидов. Синтезированные полинуклеотиды с известной последовательностью "троек" в бесклеточной системе окончательно раскрыли секреты генетического кода.

Круг, напоминающий мишень для стрельбы, - удивительно рациональное изображение кода РНК, который приходилось представлять в виде громоздких неудобоусвояемых таблиц. Там, где находится в мишени "десятка", обозначены первые нуклеотиды кодонов, в последующих (к периферии) - вторые и третьи. А по краю круга приведены соответствующие кодонам аминокислотные остатки. Символ "Тер" - сокращение слова "терминальный" (конечный) - обозначает терминирующие кодоны. Терминирующие кодоны (а их три) ничего, собственно говоря, не кодируют. Это своеобразные сигналы "стоп!" Они выполняют "техническую функцию" - прекращают синтез белка. Ведь любой белок имеет законченную структуру и размеры, а следовательно, и его ген тоже. Поэтому в цепи ДНК любой из упомянутых трех триплетов обозначает "точку" - конец любого гена и паузу в синтезе. Ну, а стартовыми кодонами служат в зависимости от обстоятельств то кодон АУГ (соответствует метионину), то кодон ГУГ (отвечает за валин).

Генетический код РНК

Буквенные символы расшифровываются так: Г - гуанин; У - урацил; А - аденин; Ц - цитозин.

Трехбуквенные сочетания по внешнему кругу - просто начальные буквы названий аминокислот. Например, АЛА - аланин, АРГ - аргинин, АСП - аспарагиновая кислота, ВАЛ - валин, ЛИЗ - лизин, МЕТ - метионин, ТРИ - триптофан, ФЕН - фенилаланин и т. д.

Код долгое время считали абсолютно универсальным. Гены, перенесенные из разных организмов в классический объект молекулярной генетики - кишечную палочку, четко синтезировали тот же белок, что и в материнском организме, из которого они были взяты. Сюрпризом для ученых было открытие иного кода у митохондрий (особых телец, своеобразных "энергетических станций" в цитоплазме животных клеток). Выяснилось, что они имеют свою собственную митохондриальную ДНК и отдельный аппарат белкового синтеза. Иначе говоря, митохондрии - вполне автономные образования, зависящие, однако, от "центра" - ядра клетки. Правда, исключительность кода митохондрий выражается лишь в том, что у них кодон УГА соответствует триптофану, а АУА - метионину. И только.

Считывание генетической информации начинается при расплетании двойной спирали ДНК на две нити в процессе синтеза дочерних нитей ДНК при подготовке клетки к делению. При этом последовательность оснований копируется при помощи фермента ДНК-полимеразы.

Аналогично удвоению цепочек ДНК идет и синтез рибонуклеиновых кислот, являющихся копиями соответствующих генов. От ДНК РНК отличается лишь тем, что вместо дезоксирибозы она содержит рибозу, а вместо тимина в нее входит урацил. Образование РНК (транскрипция) происходит при участии фермента РНК-полимеразы.

Так идут процессы транскрипции и трансляции

Двойная спираль расплетается после прикрепления РНК-полимеразы к молекуле ДНК. Начинается "сборка" гена. По мере синтеза новых цепочек РНК высвобождается с ДНК. Наконец, ДНК спирализуется и теряет активность в отношении синтеза РНК.

Наращивание цепочек РНК в ходе транскрипции ("сборки" молекулы) осуществляется, как и синтез ДНК, по принципу комплементарности. Гуаниновым остаткам в копируемой нити ДНК соответствуют цитозиновые (Ц), а адениновым - урацильные (У).Следовательно, вместо А+Г=Т+Ц (или, что одно и то же, А + Ц = Т + Г) у ДНК, у РНК выполняется правило:

А + Г = У + Ц.

Информационная (матричная) РНК точно копирует структуру ДНК и используется для трансляции (перевода транспортной РНК) несколько раз, после чего разрушается. Рибосомы, на которых происходит "сборка" молекул белка, более долговечны, и срок их существования составляет несколько суток.

РНК может синтезироваться не только с ДНК. У РНК-содержащих вирусов и в тромбоцитах у млекопитающих молекулы РНК образуются на основе РНК.

Процесс транскрипции ДНК - РНК и последующий процесс трансляции PНK-полипептид осуществляют контроль ДНК над синтезом специфических белков в клетке, в том числе ферментов, без которых в клетке невозможны никакие реакции и не происходит синтез самих нуклеиновых кислот.

При изменении матрицы ДНК основание может выпасть или замениться другим, что повлечет за собой синтез измененной РНК, а затем и измененного белка, то есть произойдет мутация. Многие мутации приводят к полной инактивации ферментов.

Познание строения и функций генов дало начало новой отрасли прикладной генетики - генной инженерии. В сущности это целая система методов, оперирующих непосредственно генами. В ее цели входит выделение или синтез генов, "сшивание" их в цепочки в культуре клеток или тканей или непосредственно в подопытном организме, перенос гибридной ДНК в другой организм или в его геном. Ожидается, что методы генной инженерии произведут революцию в сельском хозяйстве, в промышленной микробиологии и медицине.