Глава 3 матричные процессы в клетке

Существуют три типа матричных процессов в клетках: репликация, транскрипция и трансляция. Кратко остановимся на них.

3.1. Репликация ДНК

Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении по­томства генетической информацией, которая до­лжна передаваться полностью и с очень высокой точностью.

Репликация — удвоение ДНК, происходящее в синтетическую (S) стадию интёрфазы перед каж­дым делением клетки. Информация, необходимая для репликации ДНК, заложена в ее структуре. Поскольку нити ДНК комплементарны друг дру­гу, т.е. основания в парах дополняют друг друга, каждая цепь автоматически поставляет информа­цию для образования недостающей цепи.

В 1957 г. Дельбрук и Стент сформулировали три альтернативные гипотезы репликации ДНК в клетках эукариот:

Консервативная репликация. Исходная двухцепочечная молекула ДНК служит матрицей для

2. Основы генетики человека

образования совершенно новой двухцепочечной мо­лекулы, нацело достраивающейся на исходной. При этом одна из дочерних клеток получит исход­ную ДНК, а другая вновь синтезированную ДНК. Полуконсервативная репликация. Две нити ДНК расплетаются (как застежка-молния). Каж­дая цепь служит матрицей для образования но­вой. При репликации молекула ДНК постепенно разделяется специальным ферментом на две поло­вины в продольном направлении. По мере того, как открываются нуклеотиды разделяемой молеку­лы, к ним тут же присоединяются свободные нук­леотиды, ранее синтезированные в цитоплазме. В результате каждая половинная спираль снова ста­новится целой, и вместо одной молекулы получают­ся две, в результате чего хромосома становится двухроматидной.

Дисперсионная репликация. Исходная ДНК распадается на короткие разной длины фрагмен­ты, используемые в качестве матриц для построе­ния фрагментов двух новых двойных спиралей, которые затем воссоздаются в единую структуру молекулы. Образованные молекулы ДНК содер­жат старые и новые фрагменты.

Позже М.Мезельсон и Ф.Сталь, используя ав­торадиографический метод, показали, что полу­консервативный метод репликации характерен для всех эукариот и большинства прокариот. Лишь только некоторые формы вирусов способны к дис­персионной и консервативной формам репликации. Процесс репликации ДНК весьма сложен, но протекает аналогично у про- и эукариот, отличаясь участвующими ферментами, скоростью и на­правлением репликации, количеством точек репликации (числом репликативных вилок-репликонов). Скорость репликации у эукариот осуществляется довольно медленно — 50 пар оснований в 1 с, а у E.coli 1700 пар/с, но малая скорость репликации компенсируется множеством репликонов и двунаправленностью репликации. В каждой репликативной вилке ДНК расплетена и находится в одноцепочечной форме. Репликативная вилка пере­мещается вдоль молекулы, расплетая ДНК, пока не дойдет до точки окончания синтеза (рис. 3.1).

рис. 3.1. Строение репликативной вилки E.Coli (А.Корнберг, 1984).

В 1955 г. А.Корнберг и его коллеги из Стенфордского университета открыли фермент, который обеспечивает репликацию ДНК, и назвали его полимеразой. Полимераза присоединяет компле-ментарный нуклеотид к матричной цепи. Напри­мер, в матричной цепи находится нуклеотид А — полимераза присоединяет к нему нуклеотид Т, если в матричной цепи встречается Г-нуклеотид, поли­мераза к нему присоединяет Ц-нуклеотид.

На современном этапе среди ферментов, участ­вующих в синтезе ДНК, выделены ДНК-полиме­разы I, II, III, обладающие 5'-> 3'полимеразной активностью. Кроме того, все три фермента про­являют способность деградировать ДНК. Полимеразы являются 3'— > 5' экзонуклеазами и спо­собны отщеплять нуклеотиды в этом направле­нии. Это свойство обеспечивает высокую точность репликации. Когда ДНК-полимераза III ошибоч­но присоединит неправильное основание, то «вклю­чается» ее 3'—> 5'экзонуклеазная активность. Этот механизм реализуется потому, что данный фер­мент может работать как полимераза лишь на ' совершенной двойной спирали ДНК с абсолютно правильным спариванием оснований.

Не менее важны топоизомеразы — ферменты, катализирующие переходы в молекулах ДНК, связанные с изменением степени сверхспирализа-ции. ДНК, различающиеся только по степени сверх-спирализации, называются топологическими изо­мерами, или топоизомерами. Одни из них релак-сируют сверхспирали, а другие — приводят к обра­зованию, в них сверхвитков. В 1967 г. была откры­та ДНК-гираза, которая переводит двухцепочечную ДНК в состояние отрицательной сверхспи-рализации. Это необходимо для снятия положи­тельных сверхвитков, возникающих при реплика­ции из-за раскручивания двойной спирали. Сверхспирали регулируют активность ДНК, а⁴ степень сверхспирализации контролируется ферментами то-поизомеразами-П (для эукариот)или гиразами.

Инициация репликации начинается с образо­вания сверхспиралей у ДНК. Этот процесс реали­зуется в присутствии ДНК-гиразы и АТФ. Если вывести из стоя гиразу, репликация прекращает­ся. Сверхспирализация ДНК происходит лишь в тех случаях, когда не нарушена целостность струк­туры ДНК. Сверхспираль сразу же раскручива­ется топоизомеразой — хеликазой (helix — спи­раль). Поскольку ДНК-полимеразы катализиру­ют репликацию только в направлении 5' -> 3', а цепи родительской ДНК антипараллельны, толь­ко одна из новых цепей синтезируется непрерыв­но. Эта цепь называется лидирующей. Вторая цепь, называемая отстающей, синтезируется в виде фрагментов ДНК — фрагменты Оказаки, кото­рые у эукариот имеют последовательность 100— 200 нуклеотидов. Эти фрагменты лигируются (сши­ваются) полинуклеотидлигазами, и образуется не­прерывная вторая цепь. Этот процесс называется созреванием. Синтез каждого фрагмента Оказа­ки (3' — > 5') начинается на маленьком фрагменте РНК (около 10—60 нуклеотидов), который удаля­ется еще до окончания считывания фрагмента. Это так называемая затравка, или праймер. При со­зревании РНК затравка удаляется, как с 5' — конца лидирующей цепи, так и 5'— концов фраг­ментов Оказаки, с помощью ДНК-полимеразы I, действующей как 3' -» 5' экзонуклеаза, ДНК-лигаза соединяет в нужном порядке фрагменты ДНК (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Репликация у E.Coli (Э.Рис, М.Стернберг, 1988).

3.2. Репарация ДНК

В любой клетке человека под влиянием различ­ных факторов в ДНК ежедневно происходят ты­сячи случайных изменений, а за год в каждой клет­ке накапливается лишь очень небольшое число стабильных изменений нуклеотидной последова­тельности ДНК. Среди множественных случайных замен оснований в ДНК лишь одна на тысячу приводит к возникновению мутации. Все остальные повреждения очень эффективно ликвидиру­ются в процессе репарации ДНК- Механизм ре­парации («залечивание» повреждений ДНК) ос­нован на том, что молекула ДНК имеет две ко­пии генетической информации — по одной в каж­дой из нитей молекулы. Основной путь репара­ции включает три этапа:

· измененный участок поврежденной цепи ДНК распознается и удаляется с помощью ДНК-репарирующих нуклеаз. В спирали ДНК в этом месте возникает брешь;

· ДНК-полимераза и гликозилазы заполня­ют эту брешь, присоединяя нуклеотиды один за другим, копируя информацию с целостной нити;

· ДНК-лигаза «сшивает» разрывы и завер­шает восстановление молекулы (рис. 3.3)

Рис. 3.3. Этапы вырезания и репарации поврежденного участка ДНК (Айала, 1988).

Нарушение репарации у людей, пораженных пигментной ксеродермой (повышенная чувстви­тельность к солнечному свету), приводит к раку кожи. Активность УФ-эндонуклеазы, необходимая для репарации, при этом отсутствует. Если пода­вляются репарационные системы, то мутагенез усиливается.

3.3. Биосинтез белка

Транскрипция (переписывание) — синтез на ДНК-матрице мРНК (первичного продукта гена), осуществляющийся в ядре на смысловой нити ДНК, находящейся в релаксированном (деспирализованном) состоянии (рис. 3.4). Это первый этап белкового синтеза.

.

Рис. 3.4. Синтез белка у эукариот.

Матричная РНК (мРНК) содержит генетичес­кую инструкцию по синтезу определенного поли­пептида и переносит ее к белоксинтезирующему аппарату клетки, находящемуся в рибосомах ци­топлазмы клеток. Синтез мРНК имеет стадии: ини­циации, элонгации и терминации

аппарату клетки, находящемуся в рибосомах ци­топлазмы клеток. Синтез мРНК имеет стадии: ини­циации, элонгации и терминации.

Для инициации транскрипции необходимо на­личие специального участка в ДНК, называемо­го промотором. Когда РНК-полимераза связыва­ется с промотором, происходит локальное распле­тание двойной спирали ДНК и образуется откры­тый промоторный участок.

Элонгация (удлинение) цепи РНК — это ста­дия транскрипции, которая наступает после при­соединения 8 рибонуклеотидов. При этом движу­щаяся РНК-полимераза вдоль цепи ДНК действу­ет подобно застежке молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК.

Терминация (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, на­зываемых терминаторами.

Для эукариот имеется ряд принципиальных отличий в этих процессах. Для эукариот характер­но «кэпирование» 5—конца мРНК (первыми вклю­чаются нуклеотиды, содержащие основания аденин или гуанин). Модификация 5— конца мРНК приводит к образованию особой последователь­ности РНК, называемой кэп-структуры. При мо­дификации 3—конца к нему присоединяются пос­ледовательность poly(A) длиной 20-200 нуклеотидов (poly-A — «хвост»). Первичным продуктом гена, формируемым в ядре, состоящем из боль­ших по размерам молекул-предшественников, на­зываемым незрелой, или гетерогенной ядерной РНК (гяРНК), является точная копия транскри­бированного участка ДНК.

Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом, в результате которого молекулы подвергаются моди­фикации по 5' --> 3' концам и сплайсингу. Сплай­синг гетерогенной ядерной РНК — это удаление последовательностей РНК, соответствующих нитро­нам ДНК, и соединение участков с транскриби­руемыми последовательностями экзонов (рис. 3.5) (см. гл. 4.2).

Для эукариот характерно большое число реак­ций сплайсинга. Это происходит благодаря нали­чию в интронах строго определенной последова­тельности оснований ГУ или ГА в начале соответст­вующего участка интрона РНК и оснований АГ — в конце. Молекулы гяРНК имеют молекулярную массу более 10⁷, в то время как молекулярная мас­са мРНК не превышает 2 х10⁶.

Трансляция (перевод) — процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру по­липептида. Это второй этап белкового синтеза, осуществляемый последовательной поликонденса­цией отдельных аминокислотных остатков, начи­ная с аминоконца полипептидной цепи к карбок­сильному концу.

Зрелая матричная РНК выходит в цитоплаз­му, где осуществляется процесс трансляции — де­кодирование мРНК в аминокислотную последо­вательность белка. Процесс декодирования осу­ществляется в направлении от 5' —» 3' и происхо­дит в рибосомах. Комплекс мРНК и рибосом на­зывается полисомой. Подобно транскрипции ме­ханизм трансляции состоит из трех этапов: ини­циации, элонгации и терминации.

Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, который при локализации в смысловой час­ти структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Каждую аминокислоту доставляет к по­лисоме транспортная РНК (тРНК), специфичная к данной аминокислоте. тРНК выполняет роль посредника между кодоном мРНК и аминокисло­той. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соот­ветствующий триплет (кодон в мРНК) по принци­пу спаривания комплементарных азотистых оснований. тРНК, которая подходит к малой субчас­тице, образует связь кодон — антикодон, при этом одновременно передает свою аминокислоту в ами-ноацильный участок (А-участок) большой субъеди­нице. К кодону АУГ «подходит» антикодон толь­ко той тРНК, которая переносит метионин. Поэ­тому прежде всего к рибосоме доставляется мети­онин. Затем кодон АУГ переходит на пептидиль-ный участок большой субъединицы (Р-участок). В результате этих процессов образуется транслиру­ющая рибосома — инициирующий комплекс.

Элонгация — это последовательное включе­ние аминокислотных остатков в состав растущей полипептидной цепи. Каждый акт элонгации со­стоит из трех этапов:

О узнавание кодона, которое заключается в связывании антикодона с очередной молекулой тРНК, несущей аминокислоту, с кодоном свобод­ного А-участка на рибосоме;

О образование пептидной связи, которое про­исходит лишь тогда, когда оба участка А и Р заня­ты молекулами тРНК. Часть большой субъедини­цы рибосомы — фермент пептидилтрансферазу, катализирующий образование пептидной связи;

О транслокация, где тРНК участка Р, не связанная с пептидом, покидает рибосому. Затем молекула тРНК с полипептидом переходят из А на Р-участок и, наконец, рибосома перемещается вдоль РНК на один кодон.

Терминация (окончание синтеза) происходит по команде кодонов УАА, УАГ, УГА. В природе не существует таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам.

Каждая мРНК транслируется, как правило, несколько раз, после чего разрушается. Среднее время жизни молекулы мРНК около 2 мин. Разру­шая старые и образуя новые мРНК, клетка может довольно строго регулировать как тип продуциру­емых белков, так и их количество. Это регуляция синтеза белка на уровне транскрипции. У эукари-от возможна регуляция и на уровне трансляции.

Синтез белка — один из существеннейших показателей жизни. Жизнь каждого индивидуу­ма начинается с оплодотворенной яйцеклетки, ко­торая многократно делится. Вскоре в образовав­шейся клеточной массе начинается дифференци-ровка: между многими ранее однородными клет­ками возникают различия. Клетки дифференци­руются потому, что в них содержатся разные бел­ки, от присутствия которых зависит, какие реак­ции будут проистекать в клетке, а также свойства и функции данной клетки. Поскольку любой бе­лок является продуктом гена, то дифференци-ровка обусловлена тем, что разные гены включа­ются и выключаются на разных этапах онтогене­за. Кроме того, каждый человек на Земле в про­шлом, настоящем или будущем имеет свой непов­торимый набор только ему свойственных белков, именно поэтому каждый человек уникален. Ис­ключение составляют монозиготные близнецы, у которых генетический материал идентичен. Имен­но специфичность белковых наборов обеспечива­ет иммунный статус каждого человека.

3.4. Дополнение. Полимеразная цепная реакция

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) была открыта в 1984 г. Кэри Б.Мюллисом. Она основа­на на том, что новосинтезируемые цепи нуклеиновых кислот могут служить матрицами в следу­ющих циклах репликации.

Принцип метода ПЦР показан на рис. 3.6. ПЦР осуществляется последовательными циклами. В каждом цикле происходят следующие события:

двухспиральная ДНК при нагревании раз­деляется на составляющие одноцепочечные цепи и в таком состоянии может служить матрицей для репликации;

далее одноцепочечные нити ДНК инкубиру­ют в присутствии ДНК-полимеразы и раствора, содержащего смесь всех четырех нуклеотидов, а также специфические последовательности ДНК (праймеры), что приводит к синтезу копий двух молекул ДНК.

Затем процедуры повторяются сначала, и про­исходит копирование как старых, так и новых од-ноцепочечных цепей с образованием третьей и чет­вертой копий молекулы ДНК, затем все четыре снова копируются, и образуется уже восемь моле­кул ДНК, и т.д. число растет в геометрической прогрессии. В результате 20-30 циклов амплифицируется (увеличивается число копий) эффектив­ное количество ДНК- Отдельный цикл занимает около 5 мин, а для бесклеточного молекулярного клонирования фрагмента ДНК требуется всего несколько часов.

Метод ПЦР отличается очень высокой чувстви­тельностью: он позволяет обнаружить в пробе все­го одну присутствующую в ней молекулу ДНК. Тот же способ пригоден и для анализа следовых последовательностей РНК, для этого РНК перево­дят в последовательности комплементарной ДНК (кДНК), используя обратную транскриптазу. Ме­тод получил широкое использование в пренатальной диагностике наследственных болезней, выяв­лении генетическую «дактилоскопию» даже по одной единственной клетке (см. раздел 4.3).

3.5. Задание

1. Какова молекулярная масса гена двух це­пей ДНК, если в одной цепи запрограммирован белок с молекулярной массой 1500?

Примечание: молекулярная масса одной ами­нокислоты в среднем — 100, одного нуклеотида — 345.

2. Исследования показали, что 34% общего числа нуклеотидов мРНК приходятся на гуанин, 18% на цитозин. Определите процентный состав азотистых оснований, соответствующих двухцепо-чечной ДНК.

3. На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды располагаются в последовательности ТТЦТЦТАЦ-ГТАТ. Нарисуйте схему двухцепочечной молекулы ДНК, объясните, каким свойством ДНК при этом вы руководствовались? Какова длина в нм, если каждый нуклеотид занимает 0,34 нм по длине цепи ДНК- Сколько содержится нуклеотидов в этой пос­ледовательности ДНК?

4. Участок полипептида представлен следу­ющими аминокислотами: -сер-вал-глут-мет-тир-ала-вал-. Какое количество нуклеотидов входит в состав гена?

5. Какую длину имеет участок молекулы ДНК, кодирующий участок полипептида, содержащего 20 аминокислот, если расстояние между двумя нуклеотидами равно 0,34 нм?

6. В чем выражается свойство триплетности генетического кода (выберите одно из утвержде-

ний): в кодировании трех аминокислот одним нук-леотидом; в соответствии одной аминокислоте трех триплетов нуклеотидов?

7. В чем выражаются свойства универсальнос­ти генетического кода (выберите одно из утвержде­ний): в соответствии одних и тех же триплетов ДНК одним и тем же аминокислотам; в соответствии нескольких триплетов одной аминокислоте; гене­тический код един для всех организмов; в соответ­ствии аминокислотам определенных триплетов?

8. Что такое вырожденность генетического кода (выберите одно из утверждений): аминокислоты ко­дируются несколькими триплетами; один и тот же триплет кодирует несколько аминокислот и боль­шинство аминокислот кодируется несколькими триплетами?

9. Рибонуклеаза поджелудочной железы со­держит в кодирующем участке ДНК 42 нуклеоти-да. Укажите количество аминокислот, входящих в этот белок.

10. Молекула инсулина состоит из 51 амино­кислотного остатка. Сколько нуклеотидов несет участок ДНК, кодирующий данный белок?

11. Дан участок ДНК — ГТТЦТААААГГГЦЦЦ... Какова структура закодированного гена? Какова структура белка, если под воздействием химичес­ких мутагенов восьмой нуклеотид будет заменен цитозиновым? К каким биологическим последстви­ям это может привести? Перейдет ли такое измене­ние ДНК к потомству?

12. Последовательность нуклеотидов на мРНК ЦГГГГЦУУЦУАГААЦГАУГАГ. Укажите соответ­ствующий этой последовательности участок гена антисмысловой нити ДНК, а также фрагмент бел­ка, соответствующий данному участку ДНК. вирусных инфекций, а также в судебной медицине, поскольку дает возможность проводить

13. Какие изменения произойдут в строении бел­ка, если на участке гена ТААТЦАААГААЦАААА между 10 и 11 нуклеотидами включается цитозин, между 13 и 14 тимин, и в конце добавляется аденин?

14. Участок гена, кодирующий полипептид, имеет следующий порядок азотистых оснований: ААААЦЦААААТАЦТТГТАЦГА. Во время репли­кации четвертый слева аденин выпал. Определи­те структуру полипептидной цепи в норме и после выпадения аденина.

15. Всякое ли изменение последовательности нуклеотидов ДНК сказывается на структуре и функции белка? Ответ поясните.

16. Сколько белков может кодировать один и тот же участок ДНК?