Max (galicarnax) wrote,
Max
galicarnax

Category:

Как работает генетический код

Генетический код и его универсальность - самый большой камень преткновения в теории абиогенеза. Известные вариации кода ситуацию не спасают - они очень незначительны и редко используются в биосфере. Практически все живые организмы используют один и тот же генетический код (в дальнейшем для краткости - генкод). Это означает, что он был таким еще у последнего общего предка всего живого почти 4 млрд. лет назад. С того времени эволюционировали геномы, варьировались схемы метаболизма, рождались многоклеточные организмы, появлялись и вымирали новые виды, а код так и оставался неизменным. Френсис Крик назвал код замерзшей случайностью (frozen accident). 

Но не все считают код замерзшей случайностью. Например, Карл Вёзе полагает, что объяснение универсальности генкода эффектом основателя является заблуждением редукционистов. Он развил гипотезу, согласно которой никакого общего предка как отдельного организма и не существовало, а всё ныне живущее является потомком некоего первичного "коммунального" сообщества протоклеточных организмов. В этом сообществе эволюционная динамика была не дарвиновской, а, скорее, ламарковской, а генетическая информация между организмами передавалась в основном горизонтально (такой механизм распространен у прокариот). Согласно Вёзе, это могло способствовать сближению разных "генетических кодов" отдельных организмов, и в итоге породить один код [1].

Как бы там ни было на заре появления жизни, но последние ~ 3.5 млрд. лет код действительно вряд ли менялся. При этом сам по себе он вполне изменяем - это довольно гибкая штука. Не существует жесткой "химической логики", которая связывала бы данный кодон с данной аминокислотой. Данные стереохимической модели возникновения кода неопределенные. Во всяком случае, если прямое физическое взаимодействие между кодонами и аминокислотами и имело место на первых этапах возникновения кода, то сейчас оно вряд ли налагает принципиальные ограничения на "изменяемость" кода. Ведь сейчас в клетках кодоны и аминокислоты даже не контактируют друг с другом физически. Они взаимодействуют через посредников - молекулы тРНК. 

Как же реализуется генетический код, эта абстрактная таблица? Где и как она закодирована физически? И в чем заключается гибкость кода? Об этом - дальнейший рассказ. Главные герои рассказа - молекулы тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы (для краткости в дальнейшем - просто синтетазы). Второстепенные герои - молекулы аминокислот и молекулы мРНК, точнее, их кодоны. 

Транспортные РНК (тРНК)

Названы они так потому, что именно они транспортируют аминокислоты в рибосому для синтеза белков. Сами молекулы тРНК считываются из генома. Но в отличие от мРНК, считываемых с обычных генов, тРНК не транслируются в белок, а приобретают особую пространственную конфигурацию и сами становятся функциональными единицами. Длина всех тРНК составляет около 80 нуклеотидов (рис. 1A). Особую форму молекула принимает за счет того, что в ее последовательности имеются комплементарные участки, которые взаимодействуют друг с другом точно так же, как две цепочки взаимодействуют в ДНК. Вторичная структура тРНК напоминает клеверный лист (рис. 1B). Но в действительности происходит дальнейшая укладка, и в итоге молекула тРНК по форме напоминает букву L (рис. 1С). Во всех трех случаях разными цветами выделены одни и те же участки. 
Рис. 1

Молекулы тРНК содержат нестандартные основания, полученные модификацией стандартных четырех уже после считывания из генома. Например, ψ - псевдоуридин, D - дигидроуридин (см. рис. 1B). Y обозначает любой пиримидин (U или C). Обозначения 5' и 3' задают направление чтения нуклеотидов.

Нас сейчас больше всего интересуют два сайта молекулы тРНК - акцепторный стебель, к которому прикрепляется аминокислота, и антикодон, который комплементарно спаривается с кодоном на мРНК в рибосоме (рис. 2A). Если антикодон подошел к кодону, аминокислота переносится с тРНК на растущую полипептидную цепь. Если нет - тРНК вместе с аминокислотой удаляется из рибосомы, на их место приходит другая пара и т.д. Но даже с учетом такой "стрельбы в холостую" бактериальная рибосома умудряется наращивать аминокислоты в белке со скоростью 20 штук в секунду (у эукариот раз в 10 медленнее).
 
Рис. 2

На рис. 1 изображена конкретная тРНК, соответствующая аминокислоте фенилаланин. Заглянув в таблицу генкода, мы увидим, что этой аминокислоте соответствуют два кодона - UUU и UUC. И действительно, в тРНК мы видим антикодон GAA, который комплементарен кодону UUC. Что насчет второго кодона? Нужна ли для него другая тРНК? Вообще, одной аминокислоте в общем случае соответствует несколько кодонов. Это значит, что либо для каждой аминокислоты должно существовать несколько тРНК, либо одна и та же тРНК должна узнавать несколько кодонов. На деле имеют место оба случая. Некоторым аминокислотам соответствует несколько молекул тРНК с разными антикодонами, а некоторые тРНК устроены так, что узнают несколько кодонов, т.к. они требуют точного спаривания только в двух позициях между кодоном и антикодоном, разрешая нестандартное сочетание оснований в третьей позиции кодона (т.н. wobble-pairing, рис. 2B). Это позволяет клетке иметь не 61 разновидность молекул тРНК (число всех возможных кодонов за вычетом трех STOP-сигналов), а иногда в два раза меньше. Конкретное количество зависит от вида организма. У человека их 48, у некоторых бактерий - 31. 

Теперь важно запомнить, что тРНК отличаются друг от друга не только антикодоном - параллельно с ним имеются нуклеотидные отличия и в других местах. В итоге тРНК с разными антикодонами отличаются также слегка и всей своей пространственной конфигурацией. 

Вернемся к основному вопросу - как реализуется генкод? Теперь его можно перефразировать так: почему молекулы тРНК носят именно те аминокислоты, которые соответствуют их антикодонам? Вообще-то, самой молекуле тРНК все равно, какая к ней прикреплена аминокислота - соответствует ли она ее антикодону или нет. И вот здесь появляется второй герой, точнее, герои - синтетазы. 
 
Аминоацил-тРНК-синтетазы

Это те белки-ферменты, которые и насаживают аминокислоты на молекулы тРНК с нужными антикодонами. Всего их 20 типов - по одной на каждую аминокислоту. 

Синтетазы - очень специфичные ферменты. Они с высокой точностью узнают "родную" аминокислоту и все молекулы тРНК, соответствующие этой аминокислоте. Более того, синтетазы имеют два сайта - сайт синтеза, в котором, собственно, тРНК и соединяется ковалентно с аминокислотой, и сайт коррекции, где происходит дополнительная проверка. Если аминокислота не "родная" для данной тРНК (по какой-то причине в сайте синтеза произошла ошибка), то аминокислота отсоединяется от тРНК и обе молекулы высвобождаются. Схематично это показано на рис. 3.
 
Рис. 3

Теперь вопрос как реализуется генкод можно переформулировать еще раз: как синтетаза узнает свои тРНК? Делает она это "ощупыванием" - одна ее слегка вогнутая сторона предназначена для контакта с тРНК. Со стороны тРНК в процесс узнавания наиболее часто вовлечены акцепторный стебель, антикодон и D-петля. На рис. 4 те нуклеотиды, которые участвуют в распознавании тРНК синтетазой, обозначены фиолетовыми шариками. Чем больше шарик, тем чаще это место используется для распознавания. Числа возле шариков - это порядковый номер нуклеотидов в молекуле тРНК. Например, антикодон образуется нуклеотидами 34, 35 и 36, а нуклеотид 73 находится в акцепторном стебле. Показаны сайты узнавания для двух классов синтетаз (все 20 синтетаз группируются в два класса по 10 штук в каждом; эти классы отличаюся друг от друга и структурно, и по способу взаимодействия с тРНК, но нам здесь это не важно). 
 
Рис. 4

Ключевой момент в плане гибкости генкода здесь в том, что антикодон не является единственным решающим элементом в распозновании тРНК, важна вся ее конфигурация. Более того, в случае некоторых синтетаз (например, лейциновой и сериновой синтетаз у E.coli) антикодон вообще не участвует в распознавании [2]. Что это значит? А то, что какой бы ни был антикодон у такой тРНК, к ней всегда будет присоединяться одна и та же аминокислота. Именно это подразумевается под отсутствием химической логики, связывающией данные кодон и аминокислоту. В других случаях в распознавании участвует только один нуклеотид антикодона, чего также недостаточно для "жесткого связывания". Даже в тех случаях, когда в распознавании участвует весь антикодон, имеется определенная свобода его изменения. Дело в том, что если в молекуле тРНК искусственно поменять антикодон на другой, оставив всю ее остальную часть нетронутой, то либо тРНК просто станет неактивной, либо она продолжит принимать на себя прежнюю аминокислоту, но с меньшей эффективностью, либо вообще ничего не изменится и она будет принимать прежнюю аминокислоту фактически также эффективно, как и с "родным" антикодоном - конкретный из этих вариантов зависит от нового антикодона [3]. Но чего точно не произойдет - тРНК не начнет принимать новую аминокислоту, соответствующую новому антикодону по таблице генкода. 

Итак, ответ на вопрос "где физически закодирован генкод" такой: физически он закодирован в молекулах тРНК. А именно: с одной стороны, ее антикодон определяет, какому кодону на мРНК она соответствует; с другой стороны, ее общая пространственная конфигурация определяет, какой именно синтетазой она будет узнана и, в итоге, какая именно аминокислота к ней будет присоединена. 

Наглядная аналогия: 20 синтетаз - это 20 закрытых дверей с надписью "аминокислота такая-то". Молекулы тРНК - это ключи от дверей. Если ключ подошел к двери - она открывается и впускает аминокислоту, которая насаживается на ключ, и вместе они готовы к синтезу белка. Антикодоны на тРНК - это бирки с номерами, которые висят на ключах, и которые можно перевешивать с ключа на ключ. Единственное отличие от реальных ключей здесь в том, что иногда смена бирки может влиять на эффективность работы ключа. Но определенная свобода все же имеется, и бирки на ключах можно в какой-то степени комбинировать. 

Можно предположить, что на заре жизни могла иметь место вообще полная свобода в переназначении кодонов аминокислотам. Сегодня молекулы тРНК, соответствующие одной и той же аминокислоте, но работающие в разных организмах, в деталях отличаются друг от друга. Скажем, в лейциновой тРНК у кишечной палочки антикодон в распознавании не участвует, а у дрожжей там задействован один нуклеотид. Зато в валиновой тРНК у палочки участвуют два нуклеотида антикодона, а у дрожжей опять только один. Это наводит на мысль, что такие "зацепки" появлялись в ходе отбора уже после "установления" генетического кода, способствуя его закреплению. А на раннем этапе код мог быть, в принципе, полностью незакрепленным и любой кодон мог быть "назначен" любой аминокислоте.

Теперь вспомним, что сами молекулы тРНК транскрибируются из генома. Поэтому окончательный ответ такой: генетический код "прописан" в геномах! Гибкость генкода ведет к его открытости для редактирования. Например, возьмем геном кишечной палочки и найдем в нем все гены, в которых "прошиты" аланиновые тРНК, а также гены с сериновыми тРНК. Меняем во всех этих генах антикодоны - сериновые антикодоны пересаживаем в аланиновые тРНК-гены, и наоборот. Конечно, после такой операции бактерия не выживет, т.к. во всех белках будут вставляться теперь неправильные аминокислоты - вместо серина аланин и наоборот. Поэтому мы также должны заменить во всех белковых генах сериновые кодоны аланиновыми, а аланиновые - сериновыми. Задача, конечно, техничеки трудная, но теоретически выполнимая. И вот после этого клетка уже не почувствует никакой разницы - в белках будут вставляться правильные аминокислоты. Но сам генетический код уже будет другой.

Рисунки 1, 2 и 3 взяты (и переведены) из учебника Molecular Biology of the Cell, 5th edition, (c) Garland Science 2008
Tags: cell-biol
Subscribe

  • Два генома в одной клетке

    Клонирование ДНК - известный метод в молекулярной биологии. В некотором смысле, это искусственный горизонтальный перенос генов. Обычно в геном…

  • Homology? Hummology!

    Гомология классически определялась в биологии как " сходство, обусловленное происхождением от общего предка". В противоположность аналогии…

  • Откуда берутся гены

    У самых простых организмов всего несколько сотен генов. У сложных - десятки тысяч. Откуда берутся новые гены в течение эволюции? Появляются ли они…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 29 comments

  • Два генома в одной клетке

    Клонирование ДНК - известный метод в молекулярной биологии. В некотором смысле, это искусственный горизонтальный перенос генов. Обычно в геном…

  • Homology? Hummology!

    Гомология классически определялась в биологии как " сходство, обусловленное происхождением от общего предка". В противоположность аналогии…

  • Откуда берутся гены

    У самых простых организмов всего несколько сотен генов. У сложных - десятки тысяч. Откуда берутся новые гены в течение эволюции? Появляются ли они…