Расшифровка генетического кода

Но как молекула нуклеиновой кислоты передает информацию, касающуюся физических свойств? От­вет на этот вопрос дали результаты исследований аме­риканских генетиков Джорджа Бидла и Эдварда Тэтума. В 1941 г. они начали серию экспериментов с плесне­вым грибком Neurospora crassa, способным благодаря синтезу аминокислот из более простых азотсодержа­щих соединений жить на питательной среде, лишенной аминокислот.

Если подействовать на плесень рентгеновскими лу­чами, возникают мутанты. Некоторые из них теряют способность продуцировать нужные аминокислоты. Один мутантный штамм, например, потерял способ­ность образовывать аминокислоту лизин, и, чтобы поддержать жизнь этого штамма, ее приходилось вво­дить в питательную среду. Подобная дефективность, как показали Бидл и Тэтум, зависит от отсутствия специфического фермента, имеющегося у нормального немутантного штамма. Отсюда они сделали вывод, что способность продуцировать лизин представляет специфическую функцию гена, управляющего образованием данного фермента.

Молекулы нуклеиновой кислоты, передаваемые че­рез сперматозоид или яйцеклетку, обладают способ­ностью продуцировать целый набор ферментов. На­значение этих ферментов — управлять химизмом клет­ки. Химизм клетки в свою очередь ответствен за все свойства, наследственность которых и изучали Бидл и Тэтум. Таким образом, можно было перекинуть мо­стик от ДНК к физико-химическим признакам организма. Так как ДНК генов остается в пределах ядра, а син­тез белка протекает вне ядра, образование фермен­тов генами проходит через промежуточ­ный продукт - иРНК.

С помощью электронной микроскопии было установлено точное место белкового синтеза. В клетке в большом количестве были найдены организованные гранулы, значительно более мелкие, чем митохондрии, и потому названные микросомами (от греческих слов mikros — малый и soma — тело).

В 1956 г. одному из наиболее энергичных исследова­телей микросом, американцу Джорджу Паладе, удалось показать, что они бо­гаты РНК (поэтому их переименовали в рибосомы). Тогда и обнаружили, что именно рибосомы являются местом синтеза белка.

Но генетическая информация от хромосом, должна дойти до рибосом. Это осуществляет информаци­онная РНК (название дали Ф. Жакоб и Ж. Моно в 1961 г.), которая точно повторяет структуру определенного участка ДНК и переносится из яд­ра в цитоплазму клетки, где и прикрепляется к рибо­соме. Но для того, чтобы синтезировались белки, не­обходимы аминокислоты, которые образуются при по­мощи ферментов в самой клетке или поступают с пи­щевыми продуктами.

Теперь перед молекуляр­ной генетикой встал вопрос исключительной важности: каким образом осу­ществляется перенос информации от генетических структур (ДНК) к белкам, иначе говоря, каким образом записана гене­тическая программа и как она реализуется в клетке.

Согласно модели Уотсона — Крика, генетическую информацию в ДНК несет последовательность азотистых оснований. Таким образом, в ДНК заключены четыре элемента генетической информации. В то же время в белках было обнаружено 20 основных аминокислот. Необходимо было выяснить, как язык четырехбуквенной записи в ДНК может быть переведен на язык двадцатибуквенной записи в белках. Решающий вклад в разработку этого механизма был внесен математиком Георгием Гамовым (1954, 1957). Oн предположил, что для кодирования одной аминокислоты используется со­четание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наслед­ственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила назва­ние кодона.

Хотя предположение Гамова о тринуклеотидном составе кодона вы­глядело логически безупречным, доказать его экспериментально долгое время не удавалось. На протяжении семи лет со времени публикации первой работы Гамова (1954) проблему организации генетического кода пытались чисто теоретически разрешить многие исследователи.

Не вдаваясь в подробности, все типы предложенных кодов (за не- большим исключением) можно разделить на три типа: сплошной пере-крывающийся код, сплошной неперекрывающийся код и код с запятыми. В конце 1961 г., когда многим стало казаться, что эта проблема вряд ли будет в ближайшие десятилетия разрешена, была опубликована рабо­та кембриджской группы исследователей (Ф. Крик, Л. Барнет, С. Брен­нер и Р. Ваттс-Тобин), выяснивших тип кода и установивших его об­щую природу.

Важным моментом в их работе было то, что они с самого начала строго поставили вопрос о роли начальной, стартовой точки в гене. Их основной постулат, который они блестяще доказали, заключался в том, что в каждом гене есть строго фиксированная начальная точка, с которой фермент, синтезирующий РНК, начинает «прочтение» гена, причем читает его в одном направлении и непрерывно. Эксперименталь­ная часть работы базировалась на модели rII-мутантов фага Т4. Ис­пользовав эту модель, авторы доказали, что размер кодона действительно равен трем нуклеотидам и что наследственная информация, записанная в ДНК, читается от начальной точки гена «без запятых и промежутков».

Доказательство свелось к получению точечных rII-мутантов, супрес-

соров этих мутантов и различных рекомбинантов. Крик с сотрудниками воспользовались свойством весьма интересных мутагенов — красителей акридинового ряда — вызывать вставку или выпадение одного нуклеотида в ДНК. Исходя из гипотезы, что чтение генетической матрицы осущест­вляется с фиксированной точки тройками оснований, авторы резонно предположили, что при вставке и выпадении нуклеотидов, начиная с из­мененной точки, чтение ДНК будет осуществляться неверно.

Очевидно, что при обоих повреждениях можно добиться возвращения к правильной фазе чтения единственным образом: в первом случае при выпадении либо самой лишней буквы, либо буквы, расположенной рядом с ней; во втором случае при вставке вместо выпавшей буквы находя­щейся по соседству с ней. В обоих случаях произойдет восстановление нормального (дикого) генотипа и фенотипа, если буква, исправляющая чтение, появится где-то рядом по соседству с измененной точкой.

Получив под действием аналога акридина — профлавина — ряд
rII-мутантов, потерявших нормальную фазу чтения на всем протяжениигена, и осуществив затем вторую мутацию противоположного знака по соседству с первым повреждением (супрессоры первых мутаций), авторы по­лучили фаги с восстановленным (псевдодиким) фенотипом.

Точное строение кодонов.Гамов рассчитал, что если каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов, то из четырех сортов нуклеотидов можно составить 64 соче­тания. Долгое время казалось, что этот расчет не более чем гипотеза, которую в обозримом будущем вряд ли удастся доказать эксперимен­тально. Но успехи молекулярной генетики оказались настолько значи­тельными, что в короткий срок удалось не только определить состав кодонов, но и выяснить точное расположение оснований в пределах всех 64 кодонов.

Для изучения состава кодонов весьма плодотворным оказался метод, предложенный М. Ниренбергом и Дж. Маттеи (1961), заключавшийся во введении искусственно синтезированных РНК в систему для бескле­точного синтеза белка. Так как использовались искусственно синтезиро­ванные РНК известного состава, то, определив, какие аминокислоты пре­имущественно включаются в белок при тех или иных сочетаниях осно­ваний, можно было получить информацию отом, кодоны какого суммарного состава кодируют различные аминокислоты. Такая работа была проведена в основном в лабораториях М. Ниренберга (Нобелев­ская премия, 1968) и Северо Очоа (Нобелевская премия, 1959).

Но оставался открытым главный вопрос — каков точный порядок ос­нований во всех 64 кодонах. Метод его решения был разработан М. Ни­ренбергом и Ф. Ледером(1961). Эти исследователи искусственно синте­зировали короткие отрезки РНК, содержавшие всего несколько нуклеоти­дов. При этом удавалось получать молекулы не среднестатистического состава, а совершенно точного строения. Это достигалось подсаживанием к синтезируемой искусственно молекуле олигонуклеотида (соединенных вцепь нескольких нуклеотидов) по одному точно известному нуклеотиду. Затем они определили, какой минимальной длины олигонуклеотид может быть использован для того, чтобы присоединить к себе хотя бы одну мо­лекулу тРНК, несущую аминокислоту. Оказалось, что тринуклеотид, т. е.олигонуклеотид, равный по длине кодону, сорбирует на себе аминоацил-тРНК. Кроме того, было выяснено, что такое соединение строго спе­цифично: каждый кодон присоединяет ксебе только соответствующую тРНК и, скажем, присоединение тРНК, несущей триптофан, происходит только ктринуклеотиду УГГ (напомним, что в РНК в отличие от ДНК вместо пиримидинового основания — тимина имеется урацил) и никакие другие типы тРНК к этому кодону не присоединяются. Приготовив все­возможные кодоны, авторы изучили присоединение к ним различных тРНК, несущих разные аминокислоты. Аминокислоты метились радиоак­тивными изотопами, и по этой метке судили о присоединении аминоацил-тРНК. В результате этих и последующих работ ряда авторов (Г. Ко­рана, Г. Виттман, Ч. Яновский и др.) к 1966 г. удалось получить данные о полной структуре генетического кода.

Использование синтетических полинуклеотидных матриц в бесклеточ­ных белоксинтезирующих системах позволило в течение пяти лет после открытия Ниренберга и Маттеи расшифровать природу практически всех кодонов.

Не последнюю роль в деле расшифровки генетического кода сыгра­ли также работы немецкого биохимика Г. Виттмана, который в те­чение 1961—1965 гг. изучал аминокислотные превращения в белке вируса табачной мозаики, вызванные химической модификацией вирусной РНК. В 1965—1967 гг. С. Бреннер, Дж. Беквит и другие уточнили смысл некоторых кодонов, которые служат для прекращения синтеза белковой цепи (они получили название терминирующих кодонов:амбер, охраиопал).

Проблему доставки аминокислот в рибосомы впервые изучил американский биохимик Мелон Хогленд. Он установил, что каждая аминокислота, прежде чем попасть к ме­сту синтеза белков, соединяется с транспортной РНК, которая и переносит их на соответствующее место ин­формационной РНК.

Итак, XX в. вывел биологию на передовые позиции в естество­знании, изучение жизни стало предметом широкого интереса. Наи­большие успехи столетия связаны с изучением молекулярных основ жизни, развитием популяционного и биосферного мышления. Ис­следования в этих областях оказали влияние и на состояние класси­ческих направлений биологии. Благодаря усилению дифференциа­ции биологии принципиально изменился облик ее специалиста, в связи со сложностью и глубиной изучаемых явлений и расширени­ем ее фактической основы. Все это привело к росту требований к исследователю-биологу и к оценке его результатов.