Відкриття та характеристика генетичного коду

''Найважчим в проблемі коду було зрозуміти, що код існує. На це знадобилося ціле століття. Коли це зрозуміли, то для того, щоб розібратися в деталях, вистачило які-небудь десять року'' [8].

Проблема генетичного коду - це ключова проблема. У кінці 50-х - початку 60-х років вона приковувала до себе увагу, збуджувала активність умів, спонукала віру у велич і мудрість загадок науки. У широкому сенсі генетичний код - це спосіб запису генетичної інформації в послідовностях нуклеїнових кислот (ДНК або РНК) про структуру поліпептидів (білків). У конкретному сенсі генетичний код - ця відповідність між триплетними кодонами матричної РНК (М-РНК) і амінокислотами кодованого білку, що задається кодовою таблицею.

Розвиток проблеми генетичного коду пройшов в декілька етапів. Предтечами цієї проблеми можна вважати багатьох видатних дослідників. Зокрема, Н.К. Кольцов (1927, 1935) запропонував в загальній формі ідею молекули-гена і матричний принцип її дублювання. Э. Шредингер (1944) явно сформулював необхідність кодування генетичної інформації в структурі генів-молекул.П. Колдуэлл і С. Хиншельвуд (1950) запропонували ідею матричного синтезу білків на ДНК.А. Даунс (1952) сформулював гіпотезу про синтез білків на РНК.

Наукові уявлення про генетичний код як про реальну проблему експерименту і теорії були сформульовані Г.А. Гамовым відразу ж після обгрунтування Дж. Уотсоном і Ф. Криком (1953) моделі будови подвійної спіралі ДНК. Перший етап вивчення проблеми (1953-1961) можна назвати гіпотетичним. З моделі Уотсона-Крика [8] витікало уявлення про лінійну послідовність ДНК - текст, побудований з чотирьох типів нуклеотидів (A, T, G і C - чотири символи алфавіту (або A, Г, Ц і Т)). Але кодовані білки теж мають лінійну первинну структуру - текст, побудований з 20 типів канонічних амінокислот (алфавіт з 20 символів). Тому Г.А. Гамору (1954) відразу ж сформулював ідею генетичного коду в конкретному сенсі - як відповідність двох текстів, записаних за допомогою двох різних алфавітів. Крім того, він запропонував використовувати технічні засоби криптографії (розшифровки невідомих кодів) для вирішення центральної проблеми генетики.

Генетичний код відразу ж придбав вигляд великої загадки природи, ребусу для дотепних. Багато сотень математиків, фізиків, хіміків, біологів, включаючи Г.А. Гамова, Ф. Крику та ін., запропонували гіпотетичні варіанти генетичного коду, які представляють тепер лише історичний інтерес. Реальний код виявився зовсім іншим.

Науковими результатами першого етапу можна вважати [8]:

1) постановку проблеми генетичного коду;

2) формування понять лінійного тексту, алфавіту для нуклеїнових кислот і білків, генетичної інформації, записаної в цих текстах за допомогою символів алфавіту;

3) уявлення про матричну роль РНК в трансляції;

4) поняття про кодони і доказ їх неперекривання;

5) припущення про триплетности кодонів і колінеарності гена і білку, доведене лише надалі, і так далі.

Другий етап (1961-1966) можна назвати експериментальним, оскільки в цей період генетичний код був розшифрований в прямому експерименті [8-11]. У 1961 році Ф. Крик із співробітниками в блискучій роботі показали, що: а) кодони триплетны; б) між ними немає розділових знаків (''ком''); в) гени, що кодують структуру білків (цистроны), мають фіксований початок, орієнтований напрям і фіксований кінець; г) існує невелике число некодуючих триплетів (''нонсенсу'', безглуздих кодонів), а код в цілому сильно вироджений. У 1964 році Ч. Янофски із співробітниками і С. Бреннер із співробітниками показали, що ген і кодований ним білок взаємно коллініарні, тобто є послідовна відповідність між кодонами гена і амінокислотами білка.

Пряма розшифровка генетичного коду in vitro виявилася можливою завдяки техніці білкового синтезу в безклітинних системах [8-10], тобто в клітинних екстрактах, що містять усі необхідні компоненти апарату трансляції (Т-РНК, рибосоми, амінокислоти, ферменти, джерело енергії і так далі), окрім М-РНК. Вводячи в такі системи природні М-РНК або штучні невеликі олигорибонуклеотиды, можна було вивчати специфічність включення мічених амінокислот в поліпептиди, що будуються. М. Ниренберг і Ф. Ледер подавали в безклітинну систему трансляції E. coli різні олигорибонуклеотиды і показали, що індивідуальні фракції тририбонуклеотидов, що асоціюються з рибосомами, зв'язують певні фракції Т-РНК, заряджені певними міченими амінокислотами. За допомогою такого методу генетичний код був розшифрований повністю. Влітку 1966 року на симпозіумі по кількісній біології в Колд-Спринг-Харборе (США) усі отримані дані були зведені Ф. Криком воєдино [9]. Розшифрований генетичний код E. coli, досліджений in vitro, повністю узгоджувався також з іншими незалежними даними, отриманими in vivo і для інших видів. Цей вивід підтверджується також результатами секвенування останніх років, коли знайдено, що тисячі генів і кодованих ними білків дійсно відповідають один одному за правилами генетичного коду.

З 64 можливих триплетів 61 є смисловим кодоном, тобто кодує амінокислоти. Усі кодони триплетні, нерозривні і не перекриваються в тексті, а також не розділені межкодонними знаками (комами). Усі кодони однозначні, тобто кожен кодує єдину амінокислоту. Інакше кажучи, в напрямі кодон - амінокислота генетичний код однозначний.

Зворотна відповідність в напрямі амінокислота - кодон неоднозначно, і ця властивість називається вирожденістю. Окремі амінокислоти кодуються групами (серіями) кодонів-синонімів. 18 серій з 20 містять від двох до шести кодонів, дві серії (Met і Trp) не вироджено, містять по одному кодону. Середня виродженість генетичного коду приблизно три кодони на серію.

Виродженість називається систематичною, якщо кодони-синоніми розрізняються в третій позиції або пуринами (R = A або G), або пиримидинами (Y = U або C), або взагалі будь-якими з чотирьох нуклеотидів (N = A, G, U або C). Цим принципам задовольняють 30 пар кодонів з 32, а також вісім тетрад з 16. Усі ці пари зв'язні, а тетради полнозв'язні. Інші варіанти виродженості називають несистематичними. Вони відносяться до великих серій: Leu і Arg - зв'язні серії, Ser - незв'язна серія, Ile - три кодони, повнозв'язна серія.

Генетичний код містить також знаки пунктуації (початку і кінця) трансляції. Кодони AUG, GUG і UUG у прокариот окрім кодування амінокислот кодують також ініціацію трансляції. Проте однозначність кодування при цьому не порушується, оскільки знаки, що ініціюють, локалізовані в певному оточенні (контексті), здатному утворювати самокомплементарні ''шпильки''. У еукаріот ініціюють триплети AUG і слабіше, - UUG, AUA і ACG. Три ''вакантні'' триплети у E. coli - UAA (ochre), UAG (amber) і UGA (opal) - не кодують амінокислот, а виконують роль термінальних знаків трансляції (стоп-кодонів, нонсенс-кодонов або термінального нонсенсу). У нормі ними закінчуються усі цистрони, тобто трансльовані гени, одиниці трансляції. Мутаційне виникнення нонсенсу усередині гена призводить до передчасної термінації трансляції і обриву білку. Нонсенс теж утворює зв'язну серію.

Розшифровка генетичного коду була одним з найвидатніших наукових відкриттів ХХ століття.

Третій етап вивчення проблеми генетичного коду (після 1966 року) пов'язаний з поглибленим дослідженням молекулярних механізмів кодування, системних властивостей генетичного коду: симетрії, регулярності, завадостійкої, універсальності, а також шляхів його виникнення і еволюції [11]. Молекулярною системою, що забезпечує відповідність кодонів М-РНК і амінокислот, являється набір адапторних молекул транспортних РНК (Т-РНК) і набір кодуючих ферментів аміноацил-т-РНК-синтетаз (АРС-аз). Кожна специфічна молекула Т-РНК має антикодон, що взаємодіє з кодоном М-РНК, а також специфічний сайт взаємодії з певною АРС-азой і неспецифічний сайт зв'язування амінокислоти. Кожна АРС-аза пізнає усі ізоакцепторні (що переносять одну амінокислоту) фракції Т-РНК, одну певну амінокислоту і сполучає їх макроергічним (енергобагатою) зв'язком. Тому відповідність антикодону Т-РНК і амінокислоти визначається саме АРС-азой. Фракції Т-РНК виконують функції адапторів (специфічних посередників) між кодонами М-РНК і амінокислотами.

Багато властивостей генетичного коду забезпечуються властивостями молекул Т-РНК і АРС-аз. Триплетний і нерозривний антикодон виділений в антикодонной петлі Т-РНК спеціальними модифікованими нуклеотидами. Цим забезпечуються триплетность і нерозривність впізнанних кодонів матриці. Усі антикодони однаково триплетны, тому, починаючи від знаку, що ініціює, трансляція здійснюється триплетними кроками, тобто формується певна рамка (фаза) трансляції - одна з трьох можливих. В цьому випадку межкодоные знаки (коми) не потрібні, а кодони не перекриваються. Кодони, що ініціюють, у E. coli пізнаються спеціальною фракцією т-РНКF - Met, що переносить модифіковану амінокислоту форміл-метіонін. Термінальний нонсенс взагалі не має своїх фракцій Т-РНК, а пізнаються спеціальними білковими чинниками терминации.

Однозначність коду в напрямі кодон - амінокислота забезпечується строгою специфічністю АРС-аз. Кожна АРС-аза дізнається єдину амінокислоту, тому неоднозначність виключена або маловірогідна. У основі систематичної виродженості лежать правила неоднозначності спаровування кодон-антикодон, встановлені Ф. Криком [8, 11]. Один антикодон може дізнаватися один, два або три кодони, що розрізняються по третій позиції. Згідно з правилами неоднозначного спаровування, систематична виродженість в парах кодонів забезпечується окремими фракціями Т-РНК, U, що мають, G або I (інозин) в трьох позиціях антикодонів. Вырожденность 3 у ізолейцину (Ile) вимагає фракцію Т-РНК з I в третій позиції антикодону. Такий нуклеотид там дійсно є. Виродженість 4 вимагає не менше двох фракцій Т-РНК, виродженість 6 - не менше трьох фракцій. Всього генетичний код E. coli вимагає не менше 32 фракцій Т-РНК. Реально у E. coli повне число генів Т-РНК дорівнює 86 для 79 фракцій з різними антикодонами. Отже, багато фракцій Т-РНК частково дублюють один одного.

Тепер розглянемо не менш вражаючу властивість симетрії генетичного коду. Генетичний код можна зображувати в круговій формі [11], де внутрішній круг відповідає першим позиціям кодонів, середнє кільце - другим позиціям і зовнішнє кільце - третім позиціям. Сильні основи зображені непідрозділеними секторами зовнішнього кільця, а слабкі - підрозділеними. Властивість симетрії полягає в наступній:

1) проведемо вісь симетрії через центр круга перпендикулярно площини листа і повернемо круг на 180° в площині листа. При цьому усі сильні і слабкі основи зберігають свої позиції, тобто поєднуються з однойменними;

2) проведемо через центр площину симетрії, перпендикулярну площині листа і рядкам тексту. При дзеркальному віддзеркаленні круга в цій площині усі сильні основи міняються місцями із слабкими і навпаки;

3) проведемо через центр площину симетрії, перпендикулярну площині листа і паралельну рядкам тексту. При дзеркальному віддзеркаленні круга в цій площині сильні основи міняються на слабкі і навпаки.

Генетичний код універсальний в тому сенсі, що його основна частина однакова для усіх форм життя на Землі. Цей вивід обгрунтований досвідом масового секвенування генів і білків. Майже завжди колінеарна відповідність генів і білків узгоджується з правилами генетичного коду. Проте в деяких екзотичних системах трансляції (мітохондрії тварин, рослин і грибів, хлоропласти рослин, найдрібніші бактерії - мікоплазми, війчаті прості та ін) знайдені мінорні відхилення в генетичному коді, а також зміни правил неоднозначного спаровування і наборів антикодонів і фракцій Т-РНК. Це своєрідні ''діалекти'' генетичного коду, що відбивають специфіку їх еволюції і функціонування.

Поза сумнівом, що генетичний код став продуктом добіологічної молекулярної еволюції і продовжував частково еволюціонувати надалі. У стохастичному процесі молекулярної еволюції властивості генетичного коду могли бути:

1) або наперед заданими фізико-хімічними характеристиками компонент і умов,

2) або відібрані як адаптивні серед альтернативних варіантів,

3) або фіксовані випадково. Гіпотези виникнення генетичного коду різною мірою враховують ці можливості [10, 11].

Так, гіпотеза ''замороженого випадку'' (Ф. Крик, 1968 рік) вважала, що історично була фіксована перша випадкова, але задовільна система кодування, яка далі була розмножена, піддалася еволюційному ускладненню і оптимізації, оскільки забезпечувала прискорене відтворення. Ясно, що крайній, чисто випадковий варіант цієї гіпотези нереальний, оскільки код має очевидні невипадкові системні властивості. Ясно також, що ці властивості відбивають невипадковий, високо організований характер генетичного коду, пов'язаний з правилами синонімії кодових серій.

Таким чином, генетичний код E. coli є не випадковим конгломератом відповідностей між кодонами і амінокислотами, а високоорганізовану систему відповідностей, підтримувану складними молекулярними механізмами. По вираженню Френціса Крика, що вніс вирішальний вклад у відкриття і вивчення коду, ''це ключ до молекулярної біології, оскільки він показує, як дві великі мови полімерів - мова полінуклеотидів і мова поліпептидів пов'язані між собою'' [9].

Висновок