Расположение основных комбинаций химических соединений в ДНК и количественные отношения между этими комбинациями образуют кодировку наследственной информации.
Молекула ДНК человека. Как работают гены, что такое РНК, нуклеотиды, синтез белка
На сайте представлена основная информация. Соответствующая диагностика и лечение заболевания возможны под наблюдением ответственного врача. Для всех лекарств существуют противопоказания. Необходимо проконсультироваться со специалистом и внимательно изучить инструкцию!
Все мы знаем, что внешность человека, некоторые привычки и даже болезни передаются по наследству. Вся эта информация о живом существе закодирована в генах. Как же выглядят эти пресловутые гены, как они работают и где они расположены?
Таким образом, носителем всех генов в организме человека или животного является ДНК. Это соединение было открыто Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 г. В химическом смысле ДНК — это дезоксирибонуклеиновая кислота. Так что же это значит? Как эта кислота может нести в себе генетический код всего живого на нашей планете?
Давайте сначала посмотрим, где находится ДНК. Человеческая клетка имеет множество органоидов, которые выполняют различные функции. ДНК находится в ядре клетки. Ядро — это маленькая органелла, окруженная специальной мембраной, в которой хранится весь генетический материал — ДНК.
Каково строение молекулы ДНК?
Прежде всего, давайте рассмотрим, что такое ДНК. ДНК — это очень длинная молекула, состоящая из строительных блоков, называемых нуклеотидами. Существует 4 типа нуклеотидов — аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). Схематически цепочка нуклеотидов выглядит следующим образом: GGAATCTAAG…. Эта последовательность нуклеотидов и есть цепь ДНК.
Структура ДНК была впервые расшифрована Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году.
Одна молекула ДНК состоит из двух нуклеотидных цепочек, расположенных по спирали друг вокруг друга. Как же эти нуклеотидные цепочки соединяются и скручиваются? Это явление обусловлено свойством комплементарности. Комплементарность означает, что только определенные (комплементарные) нуклеотиды могут находиться друг напротив друга в двух цепочках. Например, тимин всегда противоположен аденину, и только цитозин всегда противоположен гуанину. Таким образом, гуанин комплементарен цитозину, а аденин комплементарен тимину. Такие пары нуклеотидов, которые находятся напротив друг друга в разных цепях, также называются комплементарными.
Схематично это можно представить следующим образом:
G — T — T — T — T — T — T — A T — A T — A T — G.
Эти комплементарные пары A-C и D-C образуют химическую связь между нуклеотидами пары, причем связь между D и C сильнее, чем между A и T. Связь образуется исключительно между комплементарными основаниями, т.е. связь между некомплементарными D и A невозможна.
«Упаковка» ДНК, как цепочка ДНК становится хромосомой?
Почему же эти цепочки нуклеотидов ДНК наматываются друг на друга? Почему это необходимо? Причина в том, что количество нуклеотидов огромно, и для размещения таких больших цепей требуется много места. По этой причине две нити ДНК закручиваются друг вокруг друга. Это явление называется спиральным ростом. Спирализация делает нити ДНК примерно в 5-6 раз меньше.
Некоторые молекулы ДНК активно используются организмом, в то время как другие используются редко. Помимо спиральной формы, редко встречающиеся молекулы ДНК также «упакованы» более компактно. Такая компактная упаковка называется суперкоагуляцией и укорачивает цепь ДНК в 25-30 раз!
Как происходит упаковка спиралей ДНК?
Гистоновые белки, которые имеют вид и структуру стержня или катушки ниток, используются при гиперспирозе. Спиральные цепи ДНК наматываются на эти «витки» — белки гистоны. Таким образом, длинные нити наматываются очень компактно и занимают очень мало места.
Когда нужно использовать конкретную молекулу ДНК, происходит процесс «разматывания», то есть цепь ДНК «разматывается» с «катушки» — белка гистона (если она была намотана вокруг него) — и сматывается со спирали в две параллельные цепи. Когда молекула ДНК находится в таком размотанном состоянии, необходимая генетическая информация может быть считана. А генетическая информация может быть считана только из непрерывных цепочек ДНК!
Набор переплетенных хромосом называется гетерохроматином, а хромосомы, доступные для считывания информации, — эухроматином.
Что такое гены, какова их связь с ДНК?
Теперь давайте рассмотрим, что такое гены. Мы знаем, что существуют гены, которые определяют группу крови, цвет глаз, волос, кожи и многие другие характеристики нашего тела. Ген — это определенный участок ДНК, состоящий из определенного количества нуклеотидов, расположенных в определенной комбинации. Положение в определенном участке ДНК означает, что определенный ген имеет свое положение, и изменить это положение невозможно. Уместно провести следующее сравнение: Человек живет на определенной улице, в определенном доме и квартире, и человек не может без разрешения переехать в другой дом, квартиру или на другую улицу. Специфическое количество нуклеотидов в гене означает, что каждый ген имеет определенное количество нуклеотидов и не может производить больше или меньше. Например, ген, кодирующий выработку инсулина, имеет 60 пар нуклеотидов; ген, кодирующий выработку гормона окситоцина, имеет 370 пар нуклеотидов.
Последовательность нуклеотидов уникальна и строго определена для каждого гена. Например, последовательность AATTAAT является частью гена, который кодирует производство инсулина. Конкретная последовательность используется для производства инсулина, в то время как для производства, например, адреналина используется другая комбинация нуклеотидов. Важно понимать, что только одна конкретная комбинация нуклеотидов кодирует конкретный «продукт» (адреналин, инсулин и т.д.). Эта уникальная комбинация определенного количества нуклеотидов на «своем месте» и есть ген.
Помимо генов, в цепи ДНК существуют так называемые «некодирующие последовательности». Эти некодирующие последовательности нуклеотидов регулируют функции генов, помогают в формировании спирали хромосом и отмечают начало и конец гена. Однако роль большинства некодирующих последовательностей на сегодняшний день остается неясной.
Подпишитесь на Здоровьесберегающий видеоканал
Расположение основных комбинаций химических соединений в ДНК и количественные отношения между этими комбинациями образуют кодировку наследственной информации.
Геном человека
Геном человека — это совокупность генетического материала, содержащегося в человеческой клетке. Геном человека состоит из 23 пар хромосом, расположенных в ядре клетки, и митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомные хромосомы, две половые хромосомы X и Y и митохондриальная ДНК человека содержат около 3,1 миллиарда пар оснований1 .
В рамках проекта «Геном человека» была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используются в биомедицинских исследованиях по всему миру. Полное секвенирование показало, что геном человека содержит 20 000-25 000 генов2, что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта. Только 1,5% всего генетического материала кодирует белки или функциональную РНК. Остальное — некодирующая ДНК, которую часто называют нежелательной ДНК3.
Содержание
Хромосомы
Геном человека состоит из 23 пар хромосом (всего 46 хромосом), причем каждая хромосома содержит сотни генов, разделенных межгенным пространством. Межгенное пространство содержит регуляторные регионы и некодирующую ДНК.
Геном состоит из 23 пар хромосом: 22 пары аутосомных хромосом и одна пара половых хромосом X и Y. У людей мужской пол гетерогамен и определяется наличием Y-хромосомы.
По данным проекта «Геном человека», количество генов в геноме человека составляет около 28 000. Первоначальная оценка составляла более 100 000 генов. В связи с усовершенствованием методов, используемых для поиска генов (предсказание генов), ожидается, что количество генов будет уменьшаться и дальше.
Количество генов человека не намного больше, чем количество генов в более простых организмах, таких как червь Caenorhabditis elegans или муха Drosophila melanogaster. Это связано с тем, что альтернативный сплайсинг широко распространен в геноме человека. Альтернативный сплайсинг позволяет производить множество различных белковых цепей из одного гена. Следовательно, протеом человека намного больше, чем протеом изучаемых организмов. Большинство генов человека имеют несколько экзонов, а интроны часто значительно длиннее крайних экзонов гена.
Гены неравномерно распределены по хромосомам. Каждая хромосома содержит богатые генами и бедные генами области. Эти регионы связаны с хромосомными полосами (микроскопически видимые полосы на хромосоме) и регионами, богатыми CG. Значение такого неравномерного распределения генов в настоящее время до конца не изучено.
Помимо генов, кодирующих белки, геном человека содержит тысячи генов РНК, включая транспортную РНК (тРНК), рибосомальную РНК, микроРНК (микроРНК) и другие небелково-кодирующие последовательности РНК.
Регуляторные последовательности
В геноме человека было обнаружено множество различных последовательностей, которые отвечают за регуляцию генов. Регуляция относится к контролю экспрессии генов (процесс создания РНК из участка молекулы ДНК). Обычно это короткие последовательности, которые находятся либо рядом с геном, либо внутри гена. Иногда они расположены на большом расстоянии от гена (энхансеры). Систематизация этих последовательностей, понимание функциональных механизмов и вопросы взаимной регуляции группы генов группой соответствующих ферментов в настоящее время находятся лишь на ранних стадиях изучения. Взаимная регуляция групп генов описывается с помощью сетей генной регуляции. Исследование этих вопросов лежит на стыке нескольких дисциплин: прикладной математики, высокопроизводительных вычислений и молекулярной биологии. Выводы сделаны на основе сравнения геномов различных организмов и достижений в организации искусственной транскрипции генов в лабораторных условиях.
Идентификация регуляторных последовательностей в геноме человека отчасти обусловлена эволюционным сохранением (свойство сохранять важные части хромосомных последовательностей, отвечающих примерно за одну и ту же функцию). Согласно некоторым гипотезам, ветвь филогенетического древа, отделяющая человека от мыши, возникла около 70-90 миллионов лет назад 4. Консервативные последовательности (последовательности, которые идентичны или лишь незначительно отличаются в сравниваемых геномах) в некодирующей области были идентифицированы с помощью вычислительных методов для обоих геномов и оказались активно вовлеченными в механизмы регуляции генов в обоих организмах 5 .
С помощью этого метода можно обнаружить делеции и дупликации участков ДНК по всему геному в рамках одного исследования. Разрешение типичного СМА составляет 100 000 пар нуклеотидов — «букв» генетического кода (в некоторых регионах 10 000 п.н.).
Геном человека что это простыми словами
Генетика — это изучение наследственности и изменчивости — генетической информации, которую мы получаем от своих родителей и передаем своим детям. Гены являются носителями этой информации.
Определенные характеристики фенотипа можно определить, просто взглянув на человека. Например, цвет волос и глаз. Другие признаки фенотипа можно определить только с помощью лабораторных анализов, например, группу крови.
Информация обо всех особенностях вашего организма содержится в ваших генах, начиная от вашего роста и цвета кожи и заканчивая генетическими заболеваниями и предрасположенностью к определенным видам рака.
Что такое гены
Все ваши гены содержатся в ядре ваших клеток — ядре каждого из ваших органов и тканей. Гены — это отдельные фрагменты информации, хранящиеся на хромосомах.
| Микроскопическое увеличение | Наблюдаемый объект | Описание |
| Клеточное ядро | Содержит хромосомы. Ядро человеческой клетки содержит 23 пары хромосом. | |
| Одиночная хромосома | Состоит из очень длинной полимерной молекулы ДНК. | |
| Джин | Отдельный фрагмент ДНК, содержащий интегральную информацию о конкретном наследственном признаке. | |
| Нуклеотид | Тип информационного байта. Последовательности, которыми связаны пары нуклеотидов в молекулах ДНК всех хромосом, определяют полный набор наследственных характеристик индивидуума — геном человека. |
Для удобства можно представить себе, что хромосома — это книга, а ген — одна из глав этой книги. Ген состоит из набора попарно соединенных в спиральной молекуле ДНК нуклеотидов. Продолжим аналогию с библиотекой, и все станет гораздо
- Ядро клетки с 23 парами хромосом — это библиотека под названием «Все об этом человеке».
- Хромосома — это библиотечная книга.
- ДНК — весь текст этой книги.
- Ген — это глава в книге. Например, глава под названием «Все о цвете глаз этого человека».
- Нуклеотид — это простая буква. В человеческом «генетическом» алфавите их всего 5, в отличие от русского алфавита с 33 буквами.
Недавно стало возможным полностью расшифровать генетический код каждого человека, найдя генетическую информацию, содержащуюся во всех книгах его личной «библиотеки». Некоторые главы этих книг могут содержать тревожную информацию.
Например, информация о наличии рака или наследственных заболеваний, которые человек неизбежно передаст своим детям. Или информация о повышенной вероятности развития муковисцидоза, болезни Альцгеймера и множества других синдромов.
Любой желающий может пройти полное секвенирование и получить данные о наличии генетических заболеваний.
В целом, функция набора генов тРНК — трансляция 61 типа кодонов в 20 различных типов аминокислот — сохраняется у разных организмов. Однако состав набора тРНК может сильно варьироваться от организма к организму.
Гены и число хромосом
Количество хромосом у разных видов животных и растений сильно различается. Таким образом, количество хромосом является характеристикой, позволяющей идентифицировать различные виды животных. Например, лошадь имеет 64 хромосомы, горилла — 48, собака — 78, рак — 200, кошка — 38, свинья — 38, лягушка — 26, картофель — 48, кукуруза — 20, а некоторые виды муравьев имеют только 2 хромосомы; геном холеры также состоит из 2 хромосом.
Однако число хромосом и число генов не всегда пропорциональны. Например, у обычной мыши 40 хромосом, у человека — 46, но количество генов примерно одинаково. Количество хромосом у лошадей превышает количество хромосом человека, но на сегодняшний день у лошадей идентифицировано около 20 000 генов.
Многие гены животных имеют схожую структуру с генами человека. Гомология (сходство) геномов некоторых животных с геномом человека составляет более 90%. Сходство человеческого генома составляет 99,9%, и только на 0,01% генома приходится все разнообразие людей. Понимание эволюционных путей формирования геномов человека и животных необходимо для выявления уникальных для человека мутаций. Эти знания необходимы для будущего лечения заболеваний с помощью методов генной инженерии.
Кариотип и кариотипирование
Уже упоминалось, что ядерный геном человека обычно стабилен. Он состоит из 46 хромосом, которые образуют 23 пары. 22-я пара хромосом представляет аутосомы (пары хромосом в клетках, которые не являются половыми хромосомами), а 23-я пара представляет половые хромосомы — XX у женщин и XY у мужчин.
Термин «кариотип» был введен для обозначения всего набора хромосом. Впервые этот термин был введен в 1922 году русским ученым Л.Н. Делоне при изучении хромосомного набора различных представителей растений.
Хромосомный набор человека, который обычно состоит из 46 хромосом, называется кариотипом. Помимо числа, размер, структура и форма хромосом являются наиболее важными характеристиками, определяющими кариотип. Метод, позволяющий оценить кариотип, называется кариотипированием. Этот метод относится к цитогенетическим методам исследования генома и широко используется в диагностике хромосомных аномалий.
Поскольку тип хромосом в клеточном ядре значительно меняется в течение клеточного цикла, кариотип обычно исследуется на определенной стадии деления клетки, так называемой «метафазе митоза». Для повышения точности определения используются специальные методы окрашивания хромосом красителями, которые значительно повышают чувствительность метода.
При обследовании женщин нормальным кариотипом считается 46, XX, а для мужчин — 46, XY.
Хромосомные болезни
Изменения в кариотипе человека и животных могут происходить на разных стадиях развития. Если изменение числа хромосом происходит на этапе формирования родительских половых клеток (гамет), то все клетки будущего эмбриона будут иметь измененный кариотип.
В зависимости от этих или других изменений в числе и структуре хромосом возникают хромосомные болезни. Всего известно около 700 хромосомных заболеваний.
Например, увеличение 21-й пары хромосом на одну дополнительную хромосому (трисомия по хромосоме 21) приводит к синдрому Дауна. Дополнительная Х-хромосома на паре половых хромосом XY у мужчин приводит к изменению кариотипа на тип 47, XY (вместо 46, XY). Такой кариотип приводит к синдрому Клайнфельтера. Одним из важнейших признаков этой патологии является нарушение работы гонад.
Термин мозаицизм (мозаичный кариотип) возник, когда было обнаружено, что при нарушении половых клеток в начале эмбрионального развития образуются клетки с разными кариотипами, т.е. организм может содержать клоны клеток с нормальными и аномальными хромосомами одновременно. Другими словами, организм состоит из клеток с разным генетическим материалом. Примерами такого развития являются синдром Дауна, синдром Клайнфельтера и синдром Шерешевского-Тернера. В случае мозаицизма клиническим проявлением симптомов обычно является делеционная форма, поскольку некоторые клетки все еще имеют нормальный кариотип.
Генетика — это изучение наследственности и изменчивости — генетической информации, которую мы получаем от своих родителей и передаем своим детям. Гены являются носителями этой информации.
Что делать, если в семье есть наследственное заболевание?
Существует два способа выявления наследственных генетических мутаций у плода:
Преимплантационная генетическая диагностика (ПГТ) в цикле ЭКО — это диагностика генетических нарушений у человеческого эмбриона до его имплантации в слизистую оболочку матки, т.е. до наступления беременности. Обычно биопсия бластомера (эмбриональной клетки) берется у эмбриона на стадии расщепления (4-10 бластомеров) и исследуется. Существует несколько типов ПГТ: для хромосомных аномалий, для заболеваний одного гена и для структурных хромосомных перестроек. Данные Simon et al (2018) свидетельствуют о том, что при проведении ЭКО с ПГТ у пациентки в возрасте 38-40 лет успех ЭКО составляет 60%. Однако исследования эмбрионов имеют некоторые ограничения. Например, из-за ограниченного количества клеток невозможно обнаружить мозаицизм.
Если ЭКО с ПГТ невозможно, используется второй вариант: исследование эмбрионального материала во время беременности.
Для получения эмбрионального материала используются инвазивные методы:
- Биопсия хориона — удаление клеток из плаценты,
- Амниоцентез — извлечение клеток из амниотической жидкости.
Затем эти клетки исследуются с помощью одного или нескольких генетических тестов (которые имеют свои ограничения). Инвазивные методы могут быть связаны с 1% риском беременности.
Таким образом, дополнительное тестирование может значительно снизить риск рождения ребенка с генетическим заболеванием в конкретной семье. Однако, к сожалению, сегодня невозможно исключить этот риск, поскольку каждый генетический тест имеет определенные ограничения, которые не позволяют абсолютно исключить все генетические заболевания.
Автор статьи
Ангелина Пелина Георгиевна
Генетическое тестирование доноров проводится Репробанком, который подбирает доноров для пар, у которых уже были дети с выявленной генетической патологией.
Однако повреждения генома все же случаются, и у людей диагностируются генетические заболевания. Например, если в 21 паре хромосом вместо двух имеется три хромосомы, человек рождается с синдромом Дауна.
История вопроса
Человеческая психика такова, что она склонна переоценивать свои достижения. Эта закономерность очень хорошо видна в развитии научного мышления. Ученые часто считают, что когда они сделают небольшое открытие, истина откроется во всей красе, и будущим поколениям физиологов останется только стряхнуть пыль со своих приборов. Однако в большинстве случаев новое открытие вызывает больше вопросов, чем дает ответов.
В начале прошлого века казалось, что природа наследственности разгадана, поскольку были заново открыты законы Менделя и сформулирована хромосомная теория наследственности Моргана. Согласно представлениям того времени, наследственные факторы — гены — представляли собой белковые молекулы, нанизанные на хромосомы. Казалось, что эти белки должны быть изолированы от хромосом, и все решится само собой. Конечно, никто не имел в виду, что в генетическом материале организма могут быть элементы, которые напрямую не определяют ни одно свойство организма. Предполагалось, что каждый ген белка отвечает за определенную функцию. Однако оказалось, что все гораздо сложнее.
Во-первых, в середине 1940-х годов благодаря экспериментам Эйвери, Маккарти и Маклеода стало ясно, что функции хранения и передачи генетической информации не могут выполняться белками. Ученые начали обращать свое внимание на изучение ДНК, полимерной молекулы, состоящей из дезоксирибонуклеотидов. В то время, хотя было известно, что ДНК является частью хромосомы, считалось, что эта молекула выполняет структурную функцию, являясь своего рода скелетом хромосомы. Альфред Херши и Марта Чейз доказали ключевую роль ДНК в наследственности только в начале 1950-х годов, когда они показали, что бактериофаги могут размножаться без собственных белков — в зараженной бактериальной клетке размножается только одна молекула ДНК.
Структура ДНК была впервые описана Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году (1). В последующие 20 лет были расширены знания о природе генетического кода (М. Ниренберг и Ж. Маттеи), функции генов и регуляторных элементов (Ф. Жакоб и Ж. Монод), тонкой структуре гена (С. Бензер) и укладке ДНК в нуклеосомы (А. Корнберг). Также становится все более очевидным, что геномы организмов содержат не только уникальные структурные последовательности генов, но и огромное количество часто повторяющихся и не кодирующих белок последовательностей.
Своя и чужая ДНК
В середине прошлого века тезис о том, что генетический материал организма содержит только структуры, необходимые для формирования фенотипических признаков, был оспорен любопытным образом. Были предприняты попытки объяснить каждую особенность организма с точки зрения целесообразности, поэтому считалось, что лишних и нефункциональных структур просто не должно быть.
Эксперименты, подтверждающие наличие «лишнего» материала в геноме, весьма любопытны. Первое указание на такую особенность было получено при изучении кинетики пересборки геномной ДНК. Дело в том, что последовательности ДНК восстанавливаются с разной скоростью после денатурации. Если последовательность содержит много повторов, она восстанавливается быстрее, в то время как реимплантация занимает больше времени, если последовательность ДНК уникальна. Эксперименты по пересборке геномной ДНК эукариот показали, что очень большая часть генома состоит из всевозможных быстро повторяющихся повторов, сателлитов и других «нежелательных» ДНК (термин «нежелательная ДНК», кстати, придумал Фрэнсис Крик). До относительно недавнего времени считалось, что эти «мусорные последовательности» необходимы для защиты полезной ДНК от мутаций, как будто они рисуют огонь. Если мутирует некодирующий участок ДНК, это вряд ли окажет негативное влияние на фенотип человека. Однако, как было показано позже, роль этой ДНК в геноме не может ограничиваться только ею одной. Дальнейшие исследования на эту тему показали, что повторяющаяся и некодирующая часть ДНК в геноме очень изменчива по своей структуре. Помимо повторов, выполняющих чисто технические функции, такие как связывание с белками ядерного матрикса или центромерными компонентами, были обнаружены участки генома, не влияющие непосредственно на морфологию организма, которые также выполняют ту или иную функцию. Было интересно исследовать, откуда берутся эти сайты и почему они существуют во всех организмах.
Рисунок 1: Барбара МакКлинток.
Примерно в то же время, когда изучалась роль ДНК в наследственности, теория хромосом Моргана подверглась первой критике. Это произошло потому, что Барбара МакКлинток обнаружила генетические элементы, которые, по ее мнению, могли изменить их локализацию на хромосоме 2. Это революционное исследование поначалу непонятно, потому что оно противоречит принятой в то время аксиоме, что каждый ген имеет свое фиксированное место в хромосоме. Самой МакКлинток даже дали оскорбительное прозвище Сумасшедшая Барбара. Однако позже было доказано, что такие мобильные генетические элементы встречаются во всех живых организмах (стоит также отметить, что МакКлинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии или медицине через 30 лет после своего открытия 3).
У животных, особенно у дрозофилы, первые мобильные элементы были открыты в лабораториях Хогнесса в США и Георгиева в СССР, и быстро стало ясно, что эти элементы многочисленны, очень широко распространены в геномах и могут сильно различаться по своим структурным и функциональным свойствам. Изучение структуры различных классов мобильных геномных элементов (МГЭ) привело ученых к выводу об их родстве с вирусами. Жизненный цикл вирусов и многих МКЭ очень похож, а белки, кодируемые их генами, выполняют одинаковые функции, что явно указывает на общее происхождение этих примитивных живых систем.
Экология генома: молекулярные паразиты и эндосимбионты
До 1980-х и 1990-х годов тезис о том, что в геноме человека могут быть последовательности, не имеющие никакого отношения к человеку, звучал бы абсурдно. Но теперь мы столкнулись с тем, что геномы почти всех эукариот кишат молекулярными паразитами! Известно, что подавляющее большинство вирусов могут вставлять свою ДНК в геном организма, который они заражают. Таким образом, цель вируса очевидна — размножаться. Однако вирусы могут достигать этой цели разными способами. С одной стороны, логично, что сразу после интеграции они начинают синтезировать собственные белки, реплицировать свой генетический материал, а затем покидают одну клетку организма, чтобы заразить другие. В этом случае возникает небольшая проблема: клетка-хозяин погибает, но вслед за одной клеткой может погибнуть и весь организм, поэтому вирус не может заразить другие организмы. Именно здесь вступает в силу один из законов экологии: паразит, уничтожающий своего хозяина, уничтожает самого себя. Это приводит к принципиально иной стратегии поведения молекулярных паразитов. После интеграции в геном многие вирусы начинают вести себя так, как будто они являются неотъемлемой частью генома. Они не копируют активно свой генетический материал, а остаются на месте интеграции в виде так называемого хоботка. Таким образом, вирусы могут копировать информацию о своем геноме вместе с копией генома организма-хозяина, которая затем наследуется потомством хозяина. В своих обзорах последних лет британский генетик Джон Ф. Брукфилд обосновал недавно введенный термин «геномная экология «4, рассматривая геном человека как среду обитания для всех видов эндогенных ретровирусов, транспозонов и коротких сателлитных последовательностей. И между организмом-хозяином и этими компаньонами происходит борьба, подчиняющаяся всем законам экосистемы: Паразит старается размножаться и как можно меньше беспокоить хозяина, а хозяин пытается либо уничтожить паразита, либо заставить его работать на себя. Тем не менее, случаи взаимных отношений (симбиоза для взаимной выгоды) между чужеродными последовательностями и геномами не являются редкостью. Прекрасным примером такого симбиоза является участие белковых продуктов эндогенных ретровирусов человека в формировании плацентарной ткани. Известно также, что относительно безопасные «одомашненные» вирусы могут предотвратить проникновение агрессивных вирусов в клетки извне.
Наряду с преимуществами мобильных генетических элементов, конечно, следует ожидать и проблем. В частности, они могут вызывать хромосомные аномалии, вызывать мутации и изменения в активности генов за счет своего движения и дестабилизировать всю структуру генома. Взаимодействие между МГЭ и геномом хозяина может приводить к различным удивительным последствиям: от возникновения наследственных заболеваний до активации идиосинкразических процессов и образования новых генов.
Все ваши гены содержатся в ядре ваших клеток — ядре каждого из ваших органов и тканей. Гены — это отдельные фрагменты информации, хранящиеся на хромосомах.
СТРОЕНИЕ РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трех важнейших макромолекул (две другие — ДНК и белки), содержащихся в клетках всех живых организмов.
Как и ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако, в отличие от ДНК, РНК обычно имеет только одну цепь, а не две. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (рибоза имеет дополнительную гидроксильную группу на втором углеводном атоме). Наконец, ДНК отличается от РНК составом азотистых оснований: Вместо тимина (Т) РНК содержит урацил (U), который также комплементарен аденину.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белка.
Клеточные РНК образуются в результате процесса, называемого транскрипцией, который представляет собой синтез РНК в матрицу ДНК, осуществляемый специальными ферментами, называемыми РНК-полимеразами.
В дальнейшем стволовые РНК (мРНК) участвуют в процессе, называемом трансляцией, то есть синтезом белка на стволовой мРНК с участием рибосом. Другие РНК химически модифицируются после транскрипции и выполняют функции, зависящие от типа РНК, после образования вторичных и третичных структур.
Рисунок 10: ДНК отличается от РНК наличием азотистого основания: Вместо тимина (Т) в РНК есть урацил (U), который также комплементарен аденину.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция — это процесс синтеза РНК в матрицу ДНК. ДНК разматывается на одном из участков. Одна цепь содержит информацию, которая должна быть скопирована в молекулу РНК — эта цепь называется кодирующей цепью. Вторая цепь ДНК, которая комплементарна кодирующей цепи, называется матричной цепью. Во время транскрипции комплементарная цепь РНК сливается с матричной цепью в направлении 3′-5′ (вдоль цепи ДНК), в результате чего образуется РНК-копия кодирующей цепи.
Рисунок 11. Схематическое представление транскрипции.
Например, если мы получим последовательность кодирующей цепочки
3′- ATGTCCTAGCTGCTCG — 5′,
тогда, согласно правилу дополнительности, матричная цепочка несет последовательность
5′- TACAGGATCGACGAGC- 3′,
и синтезированная из него РНК несет последовательность
3′- AUGUCCUAGCUGCUCG — 5′.
ТРАНСМИССИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Для иллюстрации мы также рекомендуем короткое видео о процессах транскрипции и перевода в живой клетке, которое вы можете посмотреть по следующей ссылке:
Представленный видеоролик (ссылка слева) демонстрирует процесс образования белка из аминокислот. Процессы транскрипции и перевода представлены наглядно (анимированная версия). Биосинтез белков в рибосоме также кратко описан в разделе Белковые аминокислоты. Более подробное видео о геноме, ДНК, ее структуре и процессах кодирования можно найти далее на этой странице: Видео о ДНК.
Рисунок 12: Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок.
Перевод — это процесс, в ходе которого генетическая информация преобразуется в белки, «лошадей» клетки. Малые молекулы, называемые трансферными РНК («тРНК»), играют решающую роль в переводе; это адаптируемые молекулы, которые отображают кодоны (строительные блоки генетической информации) на аминокислоты (строительные блоки белков). У организмов существует множество типов тРНК, каждый из которых кодируется одним или несколькими генами («набор тРНК»).
В целом, функция набора генов тРНК — трансляция 61 типа кодонов в 20 различных типов аминокислот — сохраняется у разных организмов. Однако состав набора тРНК может сильно варьироваться от организма к организму.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический код — это метод кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов — кодоном или триплетом.
Генетический код, общий для большинства прокариот и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и даны соответствующие аминокислоты. Порядок расположения оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
Между триплетами есть 4 определенные последовательности, которые действуют как «знаки препинания»:
- *Триплет AUG, который также кодирует метионин, называется инициирующим кодоном. Синтез молекулы белка начинается с этого кодона. Таким образом, при синтезе белка первой аминокислотой в последовательности всегда является метионин.
- **Треугольники UAA, UAG и UGA называются стоп-кодонами и не кодируют ни одну аминокислоту. Синтез белка останавливается на этих участках.
Качество генетического кода
1. тройки. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов — триплетом или кодоном.
2. непрерывность. Между триплетами нет лишних нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. неперекрывающиеся: нуклеотид не может быть частью двух триплетов одновременно.
4. единичное значение. Кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. расширяемость. Одна аминокислота может быть закодирована множеством различных кодонов.
6. универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Мы получаем последовательность кодирующей цепи:
3′- CCGATTGCACGTCGATCGTATA — 5′.
Цепочка матриц имеет следующую последовательность:
5′- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT — 3′.
Теперь «синтезируйте» информативную РНК из этой цепочки:
3′- CCGAUUGCACGUCGUCGAUCGUAUA — 5′.
Синтез белка происходит в направлении 5′ → 3′, поэтому для «считывания» генетического кода мы должны изменить последовательность:
5′- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC — 3′.
Теперь нам нужно найти стартовый кодон AUG:
5′- AU AUG CUAGCUGCUGCUGCACGUUAGCC — 3′.
Давайте разделим последовательность на тройки:
