ДНК. Ме­ха­низ­мы хра­не­ния и об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. Часть II

Сама по себе ДНК была вы­де­ле­на еще в 1869 году Иоган­ном Фри­дри­хом Ми­ше­ром из лей­ко­ци­тов, ко­то­рые он по­лу­чал из гноя. Лей­ко­ци­ты это белые клет­ки крови, вы­пол­ня­ю­щие за­щит­ную функ­цию. В гное их до­воль­но много, ведь они стре­мят­ся к по­вре­жден­ным тка­ням, где «по­еда­ют» бак­те­ри­аль­ные клет­ки. Он вы­де­лил ве­ще­ство, в со­став ко­то­ро­го вхо­дят азот и фос­фор. Вна­ча­ле оно по­лу­чи­ло на­зва­ние нук­ле­ин, од­на­ко, когда у него об­на­ру­жи­ли кис­лот­ные свой­ства, на­зва­ние из­ме­ни­ли на нук­ле­и­но­вую кис­ло­ту. Био­ло­ги­че­ская функ­ция но­во­от­кры­то­го ве­ще­ства была неяс­на, и дол­гое время счи­та­лась, что в нем за­па­са­ет­ся фос­фор. Даже в на­ча­ле XX века мно­гие био­ло­ги счи­та­ли, что ДНК не имеет ни­ка­ко­го от­но­ше­ния к пе­ре­да­че ин­фор­ма­ции, по­сколь­ку стро­е­ние мо­ле­ку­лы, как тогда ка­за­лось, было слиш­ком од­но­об­раз­ным и не могло за­ко­ди­ро­вать столь­ко ин­фор­ма­ции.

К 1901 году Аль­брехт Кос­сель вы­де­лил и опи­сал пять азо­ти­стых ос­но­ва­ний, вхо­дя­щих в со­став ДНК и РНК. А еще чуть позже Петр Левен уста­но­вил, что уг­ле­вод­ным ком­по­нен­том нук­ле­и­но­вых кис­лот яв­ля­ют­ся дез­ок­си­ри­бо­за и ри­бо­за. Нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты, в со­став ко­то­рых вхо­дит ри­бо­за стали на­зы­вать ри­бо­ну­кле­и­но­вы­ми кис­ло­та­ми или, сокра­щенно, РНК, а те, ко­то­рые со­дер­жа­ли дез­ок­си­ри­бо­зу, дез­ок­си­ри­бо­ну­кле­и­но­вы­ми кис­ло­та­ми, или ДНК.

Те­перь, встал во­прос, как от­дель­ные зве­нья со­еди­не­ны между собой. Для этого цепи ДНК нужно было раз­ру­шить и по­смот­реть на то, что по­лу­чит­ся после раз­ру­ше­ния. Для этого по­ли­мер ДНК под­вер­гал­ся гид­ро­ли­зу. Од­на­ко Левен из­ме­нил метод гид­ро­лиз. Те­перь вме­сто мно­го­ча­со­во­го ки­пя­че­ния в за­кис­лен­ной среде он ис­поль­зо­вал фер­мен­ты. На этот раз из гид­ро­ли­за­тов уда­лось вы­де­лить не толь­ко от­дель­ные аде­нин, гу­а­нин, тимин, ци­то­зин, дез­ок­си­ри­бо­зу и фос­фор­ную кис­ло­ту, но и более круп­ные фраг­менты, на­при­мер со­еди­не­ния азо­ти­стых ос­но­ва­ний с уг­ле­во­дом или уг­ле­во­да с фос­фор­ной кис­ло­той. Вме­сте с тем в гид­ро­ли­за­тах нук­ле­и­но­вых кис­лот не были об­на­ру­же­ны со­едине­ния, со­сто­я­щие из двух азо­ти­стых ос­но­ва­ний, или со­еди­не­ния типа ос­но­ва­ние – фос­фор­ная кис­ло­та. То есть стало по­нят­но, что фос­фор­ная кис­ло­та со­еди­ня­ет­ся с са­ха­ром, а он в свою оче­редь, с азо­ти­стым ос­но­ва­ни­ем. Со­еди­не­ния азо­ти­стых ос­но­ва­ний с уг­ле­во­дом было пред­ло­же­но на­зы­вать нук­лео­зи­да­ми, а фос­фор­ные эфиры нук­лео­зи­дов на­зва­ли нук­лео­ти­да­ми.

В ре­зуль­та­те этих работ Левен при­шел к вы­во­ду, что нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты яв­ля­ют­ся по­ли­ме­ра­ми. В ка­че­стве мо­но­ме­ров слу­жат нук­лео­тиды. Со­дер­жа­ние каж­до­го из че­ты­рех нук­лео­ти­дов в ДНК, или РНК, по дан­ным хи­ми­че­ско­го ана­ли­за того вре­ме­ни, пред­став­ля­лось Ле­ве­ну рав­ным. По­это­му Левен пред­ло­жил сле­дую­щую тео­рию стро­е­ния нук­ле­и­но­вых кис­лот: они яв­ля­ют­ся поли­ме­ра­ми, мо­но­ме­ра­ми ко­то­рых слу­жат блоки из че­ты­рех нук­лео­тидов, со­еди­нен­ных по­сле­до­ва­тель­но.
Тео­рия тет­ра­нук­лео­тид­но­го стро­е­ния в то время вы­гля­де­ла вполне обос­но­ван­но, войдя во все учеб­ни­ки до­во­ен­но­го вре­ме­ни. Од­на­ко во­прос функ­ции ДНК оста­вал­ся неяс­ным. Чтобы про­яс­нить этот во­прос по­на­до­би­лось почти пол­ве­ка.

На­сту­пил пе­ри­од, во время ко­то­ро­го био­ло­ги на­кап­ли­ва­ли све­де­ния об рас­про­стра­не­нии нук­ле­и­но­вых кис­лот в раз­лич­ных типах жи­вот­ных и рас­ти­тель­ных тка­ней, в бак­те­ри­ях и ви­ру­сах, в неко­то­рых од­но­кле­точ­ных ор­га­низ­мах.

В то время на­уч­ное со­об­ще­ство все­рьез по­ла­га­ло, что за хра­не­ние ге­не­ти­че­ской ин­фор­ма­ции от­вет­ствен­ны имен­но белки. Тра­ди­ци­он­ное пред­став­ле­ние о пер­вич­ной роли бел­ков в жиз­нен­ном про­цес­се не поз­во­ля­ло и ду­мать о том, что столь важ­ное ве­ще­ство, как ве­ще­ство на­след­ствен­но­сти, могло быть чем-​либо, кроме белка. Белки были крайне раз­но­об­раз­ны по своей струк­ту­ре, чего тогда не могли ска­зать о нук­ле­и­но­вых кис­ло­тах. Из­вест­ный со­вет­ский генетик-​цитолог Н. К. Коль­цов под­счи­тал, что, ва­рьи­руя по­сле­до­ва­тель­ность 20 ами­но­кис­лот, вхо­дя­щих в со­став бел­ко­вой мо­ле­ку­лы, можно со­здать трил­ли­о­ны непо­хо­жих друг на друга бел­ков.

Если бы мы за­хо­те­ли на­пе­ча­тать в самой упро­щен­ной форме, как пе­ча­та­ют­ся ло­га­риф­ми­че­ские таб­ли­цы, этот трил­ли­он мо­ле­кул и предо­ста­ви­ли для вы­пол­не­ния этого плана все ныне су­ще­ству­ю­щие ти­по­гра­фии мира, вы­пус­кая в год 50000 томов по 100 пе­чат­ных ли­стов, то до конца пред­при­ня­той ра­бо­ты про­тек­ло б столь­ко вре­ме­ни, сколь­ко его про­шло с ар­хей­ско­го пе­ри­о­да д наших дней.

Дей­стви­тель­но много… 20 в 20й… А ведь по­сле­до­ва­тель­но­сти бы­ва­ют куда длин­нее чем 20 ами­но­кис­лот.

А вот как пишет по этому по­во­ду А. Р. Ки­зель – один из наи­бо­лее эру­ди­ро­ван­ных био­хи­ми­ков того вре­ме­ни.

Из толь­ко что при­ве­ден­ных воз­зре­ний на роли нук­ле­и­но­вой кис­ло­ты… вы­те­ка­ет ее непри­част­ность к стро­е­нию генов и сле­ду­ет, что гены со­став­ле­ны из какого-​то дру­го­го ма­те­ри­а­ла. Этого ма­те­ри­а­ла мы еще до­сто­вер­но не знаем, несмот­ря на то, что он в боль­шин­стве слу­ча­ев прямо на­зы­ва­ет­ся бел­ком.

Пер­вый успех при­шел из мик­ро­био­ло­гии. В 1944 г. были опуб­ли­ко­ва­ны ре­зуль­та­ты опы­тов Эвери и со­труд­ни­ков (США) по транс­фор­ма­ции бак­те­рий. Пару слов о транс­фор­ма­ции.

Сама транс­фор­ма­ция была от­кры­та в 1928 году мик­ро­био­ло­гом Гриф­фит­сом.

Гриф­фит ра­бо­тал с куль­ту­ра­ми пнев­мо­кок­ка (Streptococcus pneumoniae) воз­бу­ди­те­ля одной из форм пнев­мо­нии. Неко­то­рые штам­мы этой бак­те­рии яв­ля­ют­ся ви­ру­лент­ны­ми, вы­зы­вая вос­па­ле­ние лег­ких. Их клет­ки по­кры­ты по­ли­са­ха­рид­ной кап­су­лой, за­щи­ща­ю­щей бак­те­рию от дей­ствия им­мун­ной си­сте­мы. В куль­ту­ре такие бак­те­рии об­ра­зу­ют круп­ные глад­кие ко­ло­нии пра­виль­ной сфе­ри­че­ской формы. Бла­го­да­ря этому, они по­лу­чи­ли на­зва­ние S–штам­мы (от ан­глий­ско­го smooth – глад­кий).

Су­ще­ству­ют раз­лич­ные ви­ру­лент­ные штам­мы пнев­мо­кок­ка, они от­ли­ча­ют­ся по ан­ти­те­лам, ко­то­рые вы­ра­ба­ты­ва­ют­ся в ор­га­низ­ме при по­па­да­нии в него бак­те­рий. Их на­зы­ва­ют IS, IIS, IIIS и т. д. Время от вре­ме­ни неко­то­рые клет­ки ви­ру­лент­ных штам­мов S му­ти­ру­ют, утра­чи­вая спо­соб­ность син­те­зи­ро­вать по­ли­са­ха­рид­ную обо­лоч­ку, и ста­но­вят­ся ави­ру­лент­ны­ми. В куль­ту­ре они об­ра­зу­ют мел­кие ше­ро­хо­ва­тые ко­ло­нии непра­виль­ной формы, из-за этого по­лу­чи­ли на­зва­ние R–штам­мов (от ан­глий­ско­го rough – ше­ро­хо­ва­тый). Ино­гда про­ис­хо­дят об­рат­ные му­та­ции, вос­ста­нав­ли­ва­ю­щие спо­соб­ность к син­те­зу по­ли­са­ха­рид­ной обо­лоч­ки, но толь­ко в груп­пах со­от­вет­ству­ю­щих штам­мов:
 

IIS — IIR
IIIS — IIIR

Это го­во­рит о том, что ави­ру­лент­ные R–штам­мы все­гда со­от­вет­ству­ют ро­ди­тель­ско­му ви­ру­лент­но­му S–штам­му.



Гриф­фит вво­дил раз­ным груп­пам ла­бо­ра­тор­ных мышей ви­ру­лент­ный и ави­ру­лент­ный штамм пнев­мо­кок­ка. В пер­вой кон­троль­ной груп­пе инъ­ек­ция ви­ру­лент­но­го штам­ма IIIS при­во­ди­ла к ги­бе­ли жи­вот­ных. Жи­вот­ные вто­рой кон­троль­ной груп­пы после инъ­ек­ции ави­ру­лент­но­го штам­ма IIR оста­ва­лись живы. После этого Гриф­фит на­гре­вал рас­твор с куль­ту­рой ви­ру­лен­то­го штам­ма IIIS при тем­пе­ра­ту­ре 60 °С, что при­ве­ло к ги­бе­ли бак­те­рий. Уби­тые на­гре­ва­ни­ем бак­те­рии он ввел тре­тьей груп­пе под­опыт­ных мышей. Жи­вот­ные оста­лись живы, что в прин­ци­пе и ожи­да­лось. Од­на­ко это не все. Он ввел части вы­жив­ших мышей бак­те­рии ави­ру­лент­но­го штам­ма IIR.

Ка­за­лось, ни к каким страш­ным по­след­стви­ям для мышей это не могло при­ве­сти. Од­на­ко во­пре­ки ожи­да­ни­ям, жи­вот­ные по­гиб­ли. Когда из их тел были вы­де­ле­ны бак­те­рии и вы­се­я­ны в куль­ту­ру, ока­за­лось, что они от­но­сят­ся к ви­ру­лент­но­му штам­му IIIS.



Тот факт, что вы­зы­ва­ю­щие ги­бель мышей клет­ки син­те­зи­ро­ва­ли по­ли­са­ха­рид­ную обо­лоч­ку типа III, а не II, сви­де­тель­ство­вал о том, что они не могли воз­ник­нуть в ре­зуль­та­те об­рат­ной му­та­ции IIR — IIS. Из этого Гриф­фит сде­лал очень важ­ный вывод. Ави­ру­лент­ные бак­те­рии штам­ма IIR могут транс­фор­ми­ро­вать­ся в ви­ру­лент­ные как-​то вза­и­мо­дей­ствуя с уби­ты­ми на­гре­ва­ни­ем бак­те­ри­я­ми штам­ма IIIS, ко­то­рые еще оста­ва­лись в теле мышей. Дру­ги­ми сло­ва­ми, ави­ру­лент­ные бак­те­рии штам­ма IIR по­лу­ча­ют от мерт­вых бак­те­рий штам­ма IIIS некий фак­тор, пре­вра­ща­ю­щий их в ви­ру­лент­ные. Од­на­ко, что это за фак­тор, Гриф­фит не знал.

Соб­ствен­но этот фе­но­мен и был на­зван бак­те­ри­аль­ной транс­фор­ма­ци­ей. Он пред­став­ля­ет собой од­но­на­прав­лен­ный пе­ре­нос на­след­ствен­ных при­зна­ков от одной бак­те­ри­аль­ной клет­ки к дру­гой.

Те­перь вер­нем­ся к опы­там Эвери. Схема их экс­пе­ри­мен­тов несколь­ко схожа с экс­пе­ри­мен­та­ми Гриф­фит­са. Эвери и со­труд­ни­ки по­ста­ви­ли перед собой за­да­чу вы­яс­нить хи­ми­че­скую при­ро­ду транс­фор­ми­ру­ю­ще­го аген­та. Они разру­шали сус­пен­зию пнев­мо­кок­ков и уда­ля­ли из экс­трак­та белки, кап­суль­ный по­ли­са­ха­рид и РНК, од­на­ко транс­фор­ми­ру­ю­щая ак­тив­ность экс­трак­та со­хра­ня­лась. Транс­фор­ми­ру­ю­щая ак­тив­ность пре­па­ра­та не те­ря­лась при его об­ра­бот­ке кри­стал­ли­че­ским трип­си­ном или хи­мот­рип­си­ном (раз­ру­ша­ю­щи­ми белки), ри­бо­ну­кле­азой (раз­ру­ша­ет РНК). Было ясно, что пре­па­рат не яв­лял­ся ни бел­ком, ни РНК. Од­на­ко транс­фор­ми­ру­ю­щая ак­тив­ность пре­па­ра­та пол­но­стью утра­чи­ва­лась при об­ра­бот­ке его дез­ок­си­ри­бо­ну­кле­азой (раз­ру­ша­ю­щей ДНК), при­чем ни­чтож­ные ко­ли­че­ства фер­мен­та вы­зы­ва­ли пол­ную инак­ти­ва­цию пре­па­ра­та. Таким об­ра­зом, было уста­нов­ле­но, что транс­фор­ми­ру­ю­щий фак­тор у бак­те­рий яв­ля­ет­ся чис­той ДНК. Этот вывод явил­ся зна­чи­тель­ным от­кры­ти­ем, и Эвери от­лич­но со­зна­вал это. Он писал, что это как раз то, о чем дав­но меч­та­ли ге­не­ти­ки, а имен­но ве­ще­ство гена. Ка­жет­ся вот оно до­ка­за­тель­ство. Но уж слиш­ком силь­на была вера в белок, как ве­ще­ство на­след­ствен­но­сти. Неко­то­рые счи­та­ли, что транс­фор­ма­цию могут вы­зы­вать и те ни­чтож­ные при­ме­си белка, ко­то­рые оста­ва­лись в пре­па­ра­те.

Новым до­ка­за­тель­ством пря­мой ге­не­ти­че­ской роли ДНК яви­лись опыты ви­ру­со­ло­гов Херши и Чейз. Они ра­бо­та­ли с бак­те­рио­фа­гом Т2 (Бак­те­рио­фа­ги — ви­ру­сы бак­те­рий), ко­то­рый за­ра­жа­ет бак­те­рию Escherichia coli (ки­шеч­ную па­лоч­ку).



Соб­ствен­но что они сде­ла­ли. В со­став ДНК одних бак­те­рио­фа­гов они вклю­чи­ли ра­дио­ак­тив­ный фос­фор (P32), а в со­став бел­ков дру­гих — изо­топ серы (S35). Для этого одни бак­те­рии вы­ра­щи­ва­лись на среде с до­бав­ле­ни­ем ра­дио­ак­тив­но­го фос­фо­ра в со­ста­ве фос­фат иона, дру­гие — на среде с до­бав­ле­ни­ем ра­дио­ак­тив­ной серы в со­ста­ве суль­фат иона. Затем к этим бак­те­ри­ям до­бав­лял­ся бак­те­рио­фаг Т2, ко­то­рый, раз­мно­жа­ясь в клет­ках бак­те­рий, вклю­чал ра­дио­ак­тив­ную метку в свою ДНК (P есть в ДНК, но нет в бел­ках), или белки (S есть в бел­ках, но нет в ДНК).



После вы­де­ле­ния радиоактивно-​меченых бак­те­рио­фа­гов их до­бав­ля­ли к куль­ту­ре све­жих (не со­дер­жа­щих изо­то­пов) бак­те­рий. Что при­во­ди­ло к ин­фи­ци­ро­ва­нию этих бак­те­рий. Бак­те­рио­фаг при­со­еди­ня­ет­ся к клет­ке бак­те­рии и «впрыс­ки­ва­ет» свою ДНК. После этого среду с бак­те­ри­я­ми под­вер­га­ли энер­гич­но­му встря­хи­ва­нию в спе­ци­аль­ном сме­си­те­ле (было по­ка­за­но, что при этом обо­лоч­ки фага от­де­ля­ют­ся от по­верх­но­сти бак­те­ри­аль­ных кле­ток), а затем ин­фи­ци­ро­ван­ных бак­те­рий от­де­ля­ли от среды. Когда в пер­вом опыте к бак­те­ри­ям до­бав­ля­лись ме­че­ные фосфором-​32 бак­те­рио­фа­ги, ока­за­лось, что ра­дио­ак­тив­ная метка на­хо­ди­лась в бак­те­ри­аль­ных клет­ках. Когда же во вто­ром опыте к бак­те­ри­ям до­бав­ля­лись бак­те­рио­фа­ги, ме­че­ные серой-​35, то метка была об­на­ру­же­на во фрак­ции среды с бел­ко­вы­ми обо­лоч­ка­ми, но её не было в бак­те­ри­аль­ных клет­ках. Это под­твер­ди­ло, что ма­те­ри­а­лом, ко­то­рым ин­фи­ци­ро­ва­лись бак­те­рии, яв­ля­ет­ся ДНК. По­сколь­ку внут­ри ин­фи­ци­ро­ван­ных бак­те­рий фор­ми­ру­ют­ся пол­ные ви­рус­ные ча­сти­цы, со­дер­жа­щие белки ви­ру­са, дан­ный опыт стал одним из ре­ша­ю­щих до­ка­за­тельств того факта, что ге­не­ти­че­ская ин­фор­ма­ция (ин­фор­ма­ция о струк­ту­ре бел­ков) со­дер­жит­ся в ДНК.

Эти от­кры­тия силь­но по­вли­я­ли на мно­гих био­ло­гов того вре­ме­ни. В осо­бен­но­сти на зна­ме­ни­то­го сво­и­ми пра­ви­ла­ми Чар­гаф­фа. Он счи­тал, что Эвери по сути от­крыл 'новый язык', или как ми­ни­мум по­ка­зал, где его ис­кать.

Чар­гафф при­нялся ис­кать раз­ни­цу в нук­лео­тид­ном со­ста­ве и рас­по­ло­же­нии нук­лео­ти­дов в пре­па­ра­тах ДНК, по­лу­чен­ных из раз­лич­ных ис­точ­ни­ков. И, по­сколь­ку ме­то­дов поз­во­ля­ю­щих точно дать хи­ми­че­скую ха­рак­те­ри­сти­ку ДНК, в то время не су­ще­ство­ва­ло… ему при­шлось их при­ду­мать. Им было по­ка­за­но, что ста­рая тет­ра­нук­лео­тид­ная тео­рия стро­е­ния нук­ле­и­но­вых кис­лот невер­на. ДНК у раз­ных ор­га­низ­мов по со­ста­ву и стро­е­нию силь­но от­ли­ча­ют­ся. При этом об­на­ру­жи­лись новые факты, не уста­нов­лен­ные ранее для дру­гих при­род­ных по­ли­ме­ров, а имен­но ре­гу­ляр­но­сти в со­от­но­ше­нии от­дель­ных ос­но­ва­ний в со­ста­ве всех ис­сле­до­ван­ных ДНК. Сей­час даже школь­ни­ки знают их, как пра­ви­ла Чар­гаф­фа.
 

1. Ко­ли­че­ство аде­ни­на равно ко­ли­че­ству ти­ми­на, а гу­а­ни­на — ци­то­зи­ну: А=Т, Г=Ц.
2. Ко­ли­че­ство пу­ри­нов равно ко­ли­че­ству пи­ри­ми­ди­нов: А+Г=Т+Ц.
3. Вы­те­ка­ет из пер­во­го и вто­ро­го. Ко­ли­че­ство ос­но­ва­ний с ами­но­груп­па­ми в по­ло­же­нии 6 равно ко­ли­че­ству ос­но­ва­ний с ке­то­груп­па­ми в по­ло­же­нии 6: А+Ц=Т+Г.

Ме­ха­низм мы за­тра­ги­ва­ли в про­шлой ста­тье, по­это­му тут я оста­нав­ли­вать­ся на нем не буду.

По­ти­хонь­ку мы по­до­шли к двум ле­ген­дар­ным людям, от­крыв­шим струк­ту­ру ДНК. Фр­эн­сис Крик и Джеймс Уот­сон встре­ти­лись впер­вые в 1951 году. Уот­сон тогда решил за­нять­ся струк­ту­рой ДНК. Как био­лог, он по­ни­мал, что при вы­бо­ре опре­де­лен­ной струк­ту­ры ДНК нужно учи­ты­вать су­ще­ство­ва­ние какого-​то про­сто­го прин­ци­па удво­е­ния мо­ле­ку­лы ДНК, за­ло­жен­но­го в ее струк­ту­ре. Ведь одним из важ­ней­ших свойств генов яв­ля­ет­ся пе­ре­да­ча на­след­ствен­ной ин­фор­ма­ции.
Кри­ком же была со­зда­на тео­рия ди­фрак­ции рент­ге­нов­ских лучей на спи­ралях, поз­во­ля­ю­щая опре­де­лить, на­хо­дит­ся ис­сле­ду­е­мая струк­ту­ра в спи­раль­ной кон­фор­ма­ции или нет. В то вре­мя рент­ге­но­грам­мы ДНК уже су­ще­ство­ва­ли. Их по­лу­чи­ли в Лон­доне Морис Уил­кинс и Ро­за­линд Фр­эн­клин.

По ха­рак­те­ру рент­ге­но­грам­мы ДНК Уот­сон и Крик по­ня­ли, что ис­сле­ду­е­мая струк­ту­ра на­хо­дит­ся в спи­раль­ной кон­фор­ма­ции. Они знали также, что мо­ле­ку­ла ДНК пред­став­ля­ет собой длин­ную ли­ней­ную по­ли­мер­ную цепь, со­сто­я­щую из мономеров-​нуклеотидов. Фос­фо­дез­ок­си­ри­боз­ный ко­стяк этого по­ли­ме­ра непре­ры­вен, а сбоку к дез­ок­си­ри­боз­ным остат­кам при­со­еди­не­ны азо­ти­стые ос­но­ва­ния. Для по­стро­е­ния мо­де­лей оста­ва­лось ре­шить во­прос, сколь­ко цепей ли­ней­но­го по­ли­ме­ра уло­же­но в ком­пакт­ную струк­ту­ру.

На ос­но­ва­нии рент­ге­но­грам­мы В-​формы ДНК Уот­сон и Крик пред­по­ло­жи­ли, что мо­ле­ку­ла ДНК со­сто­ит из двух ли­ней­ных по­ли­нук­лео­тид­ных цепей с фос­фо­дез­ок­си­ри­боз­ным осто­вом сна­ру­жи мо­ле­ку­лы и азо­ти­сты­ми ос­но­ва­ни­я­ми внут­ри ее. Что в по­след­ствии под­твер­ди­лось. Оста­ва­лось толь­ко ре­шить во­прос о по­ряд­ке рас­по­ло­же­ния азо­ти­стых ос­но­ва­ний двух цепей внут­ри бис­пи­ра­ли.

Рас­смат­ри­вая воз­мож­ные ком­би­на­ции пар азоти­стых ос­но­ва­ний, Уот­сон об­на­ру­жил, что пары аде­нин–тимин и гу­а­нин–ци­то­зин имеют оди­на­ко­вый раз­мер и ста­би­ли­зи­ру­ют­ся во­до­род­ны­ми свя­зя­ми. Сразу же объ­яс­ня­лись и пра­ви­ла Чар­гаф­фа: если в бис­пи­ра­ли ДНК аде­нин одной цепи все­гда со­еди­ня­ет­ся с ти­ми­ном дру­гой цепи, а гу­а­нин все­гда вхо­дит в паре с ци­то­зи­ном, то аде­ни­на в со­ста­ве ДНК долж­но быть все­гда столь­ко же, сколь­ко ти­ми­на, а гу­а­ни­на – столь­ко же, сколь­ко ци­то­зи­на. Ясно было также, как долж­но про­ис­хо­дить удво­е­ние мо­ле­ку­лы ДНК. Каж­дая цепь ком­пле­мен­тар­на дру­гой, и в про­цес­се ре­пли­ка­ции ДНК цепи бис­пи­ра­ли долж­ны разой­тись и на каж­дой по­ли­нук­лео­тид­ной цепи долж­на до­стро­ить­ся ком­пле­мен­тар­ная к ней цепь. Тут тоже было несколь­ко тео­рий, но о них через неде­лю, в сле­ду­ю­щей ста­тье.
 

Ко­ди­ро­ва­ние ин­фор­ма­ции

Итак, мы знаем, что ДНК — но­си­тель ин­фор­ма­ции, знаем из чего она со­сто­ит. Но как ко­ди­ру­ет ин­фор­ма­цию — все еще не по­нят­но.

Пой­дем от за­да­чи. ДНК ко­ди­ру­ет 20 ами­но­кис­лот (можно ска­зать, что 21, но се­ле­но­ци­сте­нин пока не тро­га­ем). Нук­лео­ти­дов име­ет­ся 4 ва­ри­ан­та. То есть один нук­лео­тид может ко­ди­ро­вать 4 ва­ри­ан­та, 2 — 16, 3 -64. Ло­гич­но пред­по­ло­жить, что код — три­пле­тен (то есть три ос­но­ва­ния ко­ди­ру­ют одну ами­но­кис­ло­ту). Про экс­пе­ри­мен­таль­ное под­твер­жде­ние мо­же­те по­чи­тать здесь. Боюсь, что тут и без того много ис­то­рии…

Соб­ствен­но у нас есть 64 ва­ри­ан­та и 20 ами­но­кис­лот. Ами­но­кис­ло­ты могут ко­ди­ро­вать­ся раз­ны­ми ко­до­на­ми. Так же су­ще­ству­ют старт и стоп ко­до­ны, с ко­то­рых на­чи­на­ет­ся счи­ты­ва­ние.
Не за­бы­ва­ем, что сна­ча­ла ДНК счи­ты­ва­ет­ся в РНК, с ко­то­рой уже про­ис­хо­дит счи­ты­ва­ние в белок.
Таб­ли­ца внизу — со­от­вет­ствие ко­до­нов РНК ами­но­кис­ло­там. Пом­ним, что в РНК нет ти­ми­на, вме­сто него идет ура­цил.



Если вы не нашли в таб­ли­це старт кодон — по­ищи­те AUG. Он ко­ди­ру­ет ме­ти­о­нин и од­но­вре­мен­но яв­ля­ет­ся стар­то­вым. При транс­ля­ции генов про­ка­ри­от, пла­стид­ных и ми­то­хон­дри­аль­ных генов стар­то­вой ами­но­кис­ло­той яв­ля­ет­ся N-​формилметионин (это про­сто для справ­ки)).

Если рас­пи­сать весь путь от ДНК до белка, по­лу­чим что-​то такое.



На дан­ном ри­сун­ке син­тез идет с крас­ной цепи. Как след­ствие РНК будет сов­па­дать с синей цепью (не за­бы­ва­ем про за­ме­ну Т на У)

Как я уже го­во­рил, каж­дую ами­но­кис­ло­ту может ко­ди­ро­вать несколь­ко ко­до­нов. На пер­вый взгляд это ка­жет­ся не особо нуж­ным по­боч­ным эф­фек­том из­бы­точ­но­сти числа ко­до­нов. Но у него, на самом деле, до­воль­но важ­ная роль.

Тут мы немно­го за­тро­нем му­та­ции. Они бы­ва­ют раз­ных типов. От хро­мо­сом­ных, когда целые куски хро­мо­сом уда­ля­ют­ся из ге­но­ма, ме­ня­ют­ся ме­ста­ми, дуб­ли­ру­ют­ся, до то­чеч­ных, когда про­ис­хо­дит за­ме­на од­но­го азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния на дру­гое. Сфо­ку­си­ру­ем­ся на то­чеч­ных му­та­ци­ях.
 

К чему могут при­ве­сти то­чеч­ные му­та­ции?

Кодон может на­чать ко­ди­ро­вать дру­гую ами­но­кис­ло­ту, что не все­гда страш­но. Такие му­та­ции на­зы­ва­ют­ся миссенс-​мутацими (то есть со сме­ной смыс­ла). Это может по­вли­ять на струк­ту­ру белка. На­при­мер если по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ная ами­но­кис­ло­та за­ме­нит­ся на от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ную — это может сде­лать белок неста­биль­ным, или при­ве­дет к тому, что он свер­нет­ся в дру­гую кон­фор­ма­цию (да, ли­ней­ная по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот обыч­но сво­ра­чи­ва­ет­ся в опре­де­лен­ную форму) и не смо­жет вы­пол­нять свои функ­ции (или нач­нет де­лать это лучше, это уже по­па­хи­ва­ет эво­лю­ци­ей).

Если кон­крет­но, то ге­мо­гло­бин S имеет еди­нич­ную за­ме­ну нук­лео­ти­да (А на Т) в ко­ди­ру­ю­щем гене. В ре­зуль­та­те три­плет ГАГ, ко­ди­ру­ю­щий глу­та­мат, за­ме­ня­ет­ся на ГТГ, ко­ди­ру­ю­щий валин. Ге­мо­гло­бин S тоже может транс­пор­ти­ро­вать кис­ло­род, но де­ла­ет это хуже чем обыч­ный ге­мо­гло­бин.

В мо­ле­ку­ле ге­мо­гло­би­на Хи­ка­ри ас­па­ра­гин за­ме­щен на лизин, од­на­ко он все также хо­ро­шо пе­ре­но­сит кис­ло­род.

Как при­мер с по­те­рей функ­ции рас­смот­рим ге­мо­гло­бин M. Дру­гая то­чеч­ная му­та­ция в гене ге­мо­гло­би­на при­во­дит к пол­ной утра­те функ­ции (ги­сти­дин ме­ня­ет­ся на ти­ро­зин в ак­тив­ном цен­тре).

Кста­ти, сво­ра­чи­ва­ние белка вы­гля­дит при­мер­но так, если опу­стить все ню­ан­сы.



Что еще может про­изой­ти?

За­ме­на од­но­го азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния может так же при­ве­сти к по­яв­ле­нию стоп ко­до­на в цен­тре по­сле­до­ва­тель­но­сти, или на­обо­рот стоп кодон в конце ис­чез­нет. На вы­хо­де по­лу­чит­ся либо непол­ная цепь, либо экс­тре­маль­но длин­ная цепь, ко­то­рые в любом слу­чае не смо­гут нор­маль­но функ­ци­о­ни­ро­вать. Такие му­та­ции на­зы­ва­ют­ся нон­сенс.



Есть еще тре­тий тип му­та­ции — сайленс-​мутация. По сути про­ис­хо­дит смена ко­до­на на дру­гой, ко­ди­ру­ю­щий ту же ами­но­кис­ло­ту. Свой­ства белка не ме­ня­ют­ся.

По­ди­то­жим общей схе­мой.



В за­вер­ше­ние хотел бы еще рас­ска­зать об одной ин­те­рес­ной осо­бен­но­сти. Одну ами­но­кис­ло­ту может ко­ди­ро­вать несколь­ко ко­до­нов. Это мы знаем. Но что это зна­чит? Ор­га­низм ис­поль­зу­ет сразу все ко­до­ны для ко­ди­ро­ва­ния. Но какие-​то чаще, какие-​то реже.

Срав­ним че­ло­ве­ка и… ки­шеч­ную па­лоч­ку (Escherichia coli) по ча­сто­те ис­поль­зо­ва­ния ко­до­нов ко­ди­ру­ю­щих ци­сте­ин.

Он ко­ди­ру­ет­ся двумя ко­до­на­ми UGU и UGC.

Че­ло­век
UGU 10.6
UGC 12.6

Ки­шеч­ная па­лоч­ка (штамм O127:H6)
UGU 19.1
UGC 0.0

Цифры это встре­ча­е­мость три­пле­та на ты­ся­чу. Видно, что мы ис­поль­зу­ем оба ко­до­на при­мер­но с оди­на­ко­вой ча­сто­той, в то время как E. coli почти не ис­поль­зу­ет UGC кодон.

Об этой осо­бен­но­сти нужно пом­нить, осо­бен­но когда ты за­ни­ма­ешь­ся ге­но­ин­же­не­ри­ей и хо­чешь на­ра­ба­ты­вать про­дукт гена од­но­го ор­га­низ­ма в дру­гом. Если ген че­ло­ве­ка, с частой встре­ча­е­мо­сти UGC ко­до­на по­пы­тать­ся вста­вить в ки­шеч­ную па­лоч­ку дан­но­го штам­ма — вас ждет разо­ча­ро­ва­ние. В клет­ке ами­но­кис­ло­ты свя­за­ны с транс­порт­ны­ми РНК, каж­дая из ко­то­рых со­от­вет­ству­ет сво­е­му ко­до­ну. Так вот тРНК со­от­вет­ству­ю­щих UGC ко­до­ну будет крайне мало, что силь­но за­мед­лит син­тез.

Если ин­те­рес­но, тут можно по­смот­реть от­ли­чия в ко­дон­ном со­ста­ве у раз­ных ор­га­низ­мов.

Ко­дон­ный со­став может силь­но от­ли­чать­ся как у ор­га­низ­мов раз­ных видов, так и раз­ных штам­мов. Так у Escherichia coli O157:H7 EDL933 все более менее по­ров­ну в плане UGC и UGU. Или вот еще при­мер. У штам­мов ту­бер­ку­лез­ной па­лоч­ки вы­де­лен­ных в раз­ных стра­нах также от­ли­ча­ет­ся ко­до­вый со­став.