Genetics_sivolob_et_al

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

ігуанін (G); піримідини (Y) – урацил (U), тимін (T), цитозин (C). Загальне позначення для всіх основ – N. У складі нуклеотиду один із атомів азоту кільця (виділено червоним на рис. 1.2) приєднується ковалентним зв'язком до карбону пентозного цукру (рис. 1.1). Цей атом пентози позначається як С1' (символ ' прийнято додавати, щоб відрізняти атоми пентозного кільця від атомів азотистої основи). Інші С'-атоми пентози нумеруються далі по порядку їхнього розташування (рис. 1.1). До 3'-атома завжди приєднана ОН-група. Пентоза, у складі якої ОН-група знаходиться також при 2'-атомі, називається рибозою. Пентоза іншого типу, яка також входить до складу нуклеїнових кислот, – дезоксирибоза – відрізняється лише заміною цієї ОН-групи на атом гідрогену.

Сполука азотистої основи та пентози називається нуклеозидом (залежно від типу азотистої основи: аденозин, гуанозин, цитидин, тимідин, уридин) або рибочи дезоксирибонуклеозидом (залежно від типу пентози). Рибонуклеозиди входять до складу РНК, дезоксирибонуклеозиди – до ДНК. Інша хімічна різниця між ДНК і РНК стосується складу піримідинових азотистих основ: T у ДНК замість U в РНК.

Фосфорилювання ОН-групи при 5'-атомі пентози в нуклеозиді приводить до утворення нуклеотиду (рис. 1.1). Таким чином, нуклеотид є нуклеозидфосфатом або нуклеозидмонофосфатом (NMP). Так, нуклеотид, що зображений на рис 1.1, є аденозинмонофосфатом (АМР).

Будівним матеріалом для синтезу полімерних нуклеїнових кислот є нуклеозидтрифосфати, у складі яких ще два фосфатні залишки послідовно приєднані до 5'-фосфату, – у реакціях синтезу вони відщеплюються.

При синтезі дві хімічні групи – ОН-група при 3'-атомі пентози одного нуклеотиду та фосфат при 5'-атомі іншого – використовуються для утворення фосфодіефірного зв'язку між нуклеотидами (рис. 1.3). Отже, полінуклеотидний ланцюг має напрямок: на одному його кінці залишається 5'-фосфат (5'-кінець), на іншому – 3'-ОН-група (3'-кінець). Послідовності нуклеотидів прийнято записувати в напрямку 5' → 3', у тому ж напрямку відбувається синтез усіх нуклеїнових кислот.

Генетична інформація записана в молекулі ДНК саме у вигляді послідовності нуклеотидів.

Отже, остов полінуклеотидного ланцюга являє собою фосфатні залишки (кожен із яких має негативний заряд за фізіологічних умов)

іпентози, що чергуються – цукрофосфатний остов. Від цього остова відходять азотисті основи як бокові залишки.

11

Генетика

OH

Рис. 1.3. Полінуклеотидний ланцюг

Подвійна спіраль

Два полінуклеотидні ланцюги (насамперед ДНК, але в окремих випадках – також РНК або гібридні РНК-ДНК) можуть об'єднуватися в єдину дволанцюгову структуру (дуплекс), схему якої представлено на рис. 1.4. Таке об'єднання відбувається за жорсткої умови: певні азотисті основи повинні стояти одна проти одної – А проти Т (чи U), G проти C. Цей принцип комплементарності, сформульований Уот-

соном і Кріком (James D. Watson, Francis H. C. Crick), зумовлений утворенням специфічних водневих зв'язків між екзоциклічними групами названих основ: два зв'язки в парі А-Т, три в парі G-C (рис. 1.5). Принцип комплементарності є ключовим для розуміння функціонування нуклеїнових кислот.

12

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

Рис. 1.4. Схема об'єднання двох динуклеотидів у дволанцюгову структуру

A T

C1' C N O H

G C

Рис. 1.5. Комплементарні пари основ у складі ДНК з водневими зв'язками між основами

13

Генетика

Два ланцюги у складі дуплекса спрямовані в різні боки (є антипаралельними), цукрофосфатні остови (які добре взаємодіють з водою) розташовані зовні, пари основ – усередині цієї структури. Унаслідок взаємодій між площинами сусідніх пар основ (стекінг-взаємодій) полінуклеотидні ланцюги закручуються один навкруг одного в подвійну спіраль (рис. 1.6). Між остовами на поверхні спіралі утворюються два жолобки різного розміру – великий і маленький, в які "дивляться" певні екзоциклічні групи азотистих основ, не задіяні до утворення комплементарних водневих зв'язків.

A

G

T

C

Рис. 1.6. Два варіанти зображення подвійної спіралі ДНК. Показано структуру додекамеру ДНК у кристалах (код структури

у Protein Data Bank 355D). Зображення створено за допомогою програми

UCSF Chimera (http://www.cgl. ucsf.edu/chimera)

За фізіологічних умов подвійна спіраль є досить стабільною структурою, саме в цій формі ДНК існує в живих системах. Різноманітні молекули РНК, як правило, є одноланцюговими, але окремі взаємокомплементарні ділянки РНК часто також формують двоспіральні структури в межах однієї молекули.

Подвійним спіралям нуклеїнових кислот притаманний досить значний структурний поліморфізм, що залежить від послідовності пар основ, типу пентозного цукру та зовнішніх умов. Структура, зображена на рис. 1.6, є так званою В-формою ДНК: права спіраль з ~10,5 парами основ на виток. Саме в цій формі ДНК існує за фізіологічних умов in vivo.

14

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

Інша – А-форма (також права спіраль, ~11 пар основ на виток, значний нахил площин пар основ відносно осі спіралі) – реалізується у ДНК лише in vitro за певних умов, далеких від фізіологічних. Проте саме в А-формі існують подвійні спіралі РНК за фізіологічних умов (причиною є заміна дезоксирибози на рибозу). Крім того, ДНК може переходити в А-форму або наближену до неї в комплексах із білками.

Ще одна форма подвійної спіралі – Z-форма – є лівою спіраллю і реалізується тільки для альтернувальних послідовностей poly(GC) (коли G і C чергуються в ланцюзі). Такі послідовності є в природних ДНК, але перехід у Z-форму відбувається in vitro за умов, які дуже далекі від фізіологічних. Біологічне значення Z-форми залишається не зовсім зрозумілим, хоча знайдено білки, що мають високу спорідненість саме до неї, тобто можуть індукувати В→Z перехід in vivo.

Структура основної фізіологічної В-форми ДНК не є абсолютно регулярною. Конформаційні особливості подвійної спіралі (ступінь закручення, локальні вигини, розміри жолобків тощо) суттєво залежать від послідовності пар основ – можна сказати, що послідовність несе інформацію про структурні особливості ДНК (подібно до того, як амінокислотна послідовність визначає просторову структуру білка). Крім того, послідовність пар основ зумовлює варіації стабільності подвійної спіралі (визначає, наскільки легко можна розвести полінуклеотидні ланцюги) і конформаційну рухливість (здатність спіралі до деформацій – вигинів, зміни спіральної періодичності тощо). Залежні від послідовності особливості структури подвійної спіралі та потенціал щодо конформаційних змін – основа механізму специфічного впізнання послідовностей ДНК білками.

Білково-нуклеїнові взаємодії

ДНК у живих системах постійно взаємодіє з великою кількістю білків. На поверхні ДНК розташовані фосфатні залишки та екзоциклічні групи азотистих основ у жолобках. Саме ці групи й залучаються до контактів з амінокислотними боковими залишками та пептидними групами на поверхні білка. Усі білки, які взаємодіють із ДНК, можна розділити на дві категорії: такі, що зв'язуються з ДНК будь-якої послідовності, і ті, що здійснюють специфічне впізнання певної послідовності пар основ. Білки, котрі здійснюють таке впізнання, як правило, взаємодіють і з будь-якою іншою послідовністю ДНК неспецифічно.

15

Генетика

Кілька прикладів структури білково-нуклеїнових комплексів наведено на рис. 1.7. Димер гістонів Н3-Н4 (рис. 1.7, а) здійснює неспецифічні електростатичні (іонні) взаємодії з фосфатами ДНК, виконуючи роль в упаковці ДНК у клітинному ядрі, про що йтиметься нижче. Інші білки, зображені на рис. 1.7, виконують роль регуляторів генної активності, специфічно впізнаючи певні ділянки послідовності.

Рис. 1.7. Приклади білково-нуклеїнових комплексів: димер гістонів Н3-Н4 (а); лейциновий зіпер (б); катаболічний активаторний білок (в);

білок із цинковими пальцями (г). Зображення створено за допомогою програми PyMOL (http://www.pymol.org/), використано структури з Protein Data Bank із кодами 1AOI, 1NWQ, 1CGP, 1ZAA

Головною умовою реалізації контактів між ДНК і білком є взаємна підгонка структури взаємодіючих елементів унаслідок відповідних конформаційних перетворень: шляхом певних структурних перебудов (іноді невеликих, іноді досить значних) подвійної спіралі хімічні групи ДНК "підводяться" під контакти з білковими хімічними групами. Тобто для ефективного впізнання необхідна певна конформація подвійної спіралі та/або певні зміни цієї конформації. І те, й інше визначається послідовністю пар основ.

16

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

ШЛЯХ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ В ЖИВИХ СИСТЕМАХ: "ЦЕНТРАЛЬНА ДОГМА" МОЛЕКУЛЯРНОЇ ГЕНЕТИКИ

Магістральний шлях передачі інформації в біологічних системах відображає схема, яка була, виходячи з принципів структурної організації подвійної спіралі ДНК, запропонована у свій час Френсісом Кріком під назвою центральна догма молекулярної біології (рис. 1.8).

Реплікація

Транскрипція Трансляція

ДНК РНК Білки

Рис. 1.8. Центральна догма молекулярної біології та генетики

Інформаційним джерелом є ДНК, а кінцевою точкою передачі інформації – білки (біополімери, побудовані з 20 типів амінокислот). Велике розмаїття амінокислотних послідовностей створює можливості для реалізації різноманітних шляхів укладання ланцюгів у просторі – утворення специфічних просторових структур білків для виконання певних специфічних завдань. Головним типом цих завдань є каталіз численних біохімічних реакцій (у тому числі тих, що забезпечують передачу біологічної інформації). Крім того, білки є основним будівним матеріалом будь-якої біологічної системи й зумовлюють виконання всіх інших біологічних функцій: транспорт речовин, передачу регуляторних сигналів, спрямовані рухи, захист від чужорідних молекул тощо. Отже, саме білки, головним чином, зумовлюють усі фізіологічні особливості та зовнішні ознаки організму.

Спадкова інформація, яка записана в послідовності нуклеотидів на ділянці ДНК, є інформацією про послідовність амінокислот у складі білка. Отже, ген – це окрема змістовна ділянка ДНК, у послідовності якої закодована амінокислотна послідовність білка. Проте, крім біл-

кових, існує також велика кількість генів, кінцевими продуктами яких є різноманітні молекули РНК. Але незалежно від типу гена, первинним продуктом його активності (проміжним для білкових генів) є молекула РНК. Під час транскрипції нуклеотидна послідовність

17

Генетика

одного з ланцюгів ДНК за принципом комплементарності переписується в нуклеотидну послідовність РНК – ДНК використовується як матриця, на якій будується комплементарна РНК-репліка. Молекула РНК, що синтезується на білковому гені, використовується далі як матриця для білкового синтезу – трансляції (переписування нуклеотидної послідовності РНК в амінокислотну послідовність білка).

Суттєвим моментом функціонування біологічної системи є не тільки реалізація (експресія) генетичної інформації, а й її збереження та подвоєння з метою передачі наступному поколінню. Подвоєння інформації – це відтворення молекули ДНК у двох ідентичних дочірніх копіях – реплікація. Головним її механізмом знову ж таки є принцип комплементарності: кожен із ланцюгів ДНК використовується як матриця для синтезу комплементарної ДНК-репліки.

З кількома суттєвими уточненнями (у деяких вірусів спадкова інформація міститься в молекулі РНК; в усіх організмів у процесі функціонування клітин працюють також шляхи передачі інформації з РНК на РНК і на ДНК; не тільки білки, але й РНК певних типів мають значення для клітинних фізіологічних процесів) центральна догма є головним фундаментальним принципом роботи апарату спадковості.

ДНК ЯК ГЕНЕТИЧНИЙ ТЕКСТ: ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНОМІВ

Як джерело інформації ген – це ділянка ДНК, у послідовності нук-

леотидів якої записано інформацію про певний функціональний про-

дукт. За типом цього продукту всі гени (сукупність генів даного організму називають генотипом) можна поділити на дві групи: гени, кінцевим продуктом яких є певні функціональні молекули РНК (гени РНК), і гени, у послідовності яких відповідно до генетичного коду (див. розділ 2) записано інформацію про послідовність амінокислот у складі білків (білкові гени). Гени РНК кодують різноманітні молекули РНК, що не піддаються трансляції (див. розділ 2): рРНК – рибосомні РНК (компоненти рибосом); тРНК – транспортні РНК (ключовий елемент системи трансляції); маленькі ядерні РНК; маленькі ядерцеві РНК; мікро-РНК; молекули РНК, що є компонентами деяких ферментів; інші види РНК, із яких ще не для всіх з'ясовані їхні функції. На білковому гені синтезується РНК-матриця для наступного синтезу білка – матрична (або інформаційна) РНК – мРНК.

18

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

Кодуюча послідовність ДНК, з якої під час транскрипції знімається інформація про послідовність нуклеотидів у складі РНК-репліки, є найважливішою змістовною частиною гена. Але для того, щоб відбулась експресія генетичної інформації (через синтез РНК і далі – білка), не менш важливими є регуляторні послідовності ДНК, які (за рахунок спорідненості до специфічних білків) використовуються для вмикання / вимикання транскрипції як першої стадії експресії гена. Отже, визначення гена можна сформулювати й так: ген – це ділянка ДНК,

яка є необхідною і достатньою для повноцінного синтезу функціо-

нальної молекули РНК. Ділянка ДНК, яка може вважатися геном, має містити кодуючу послідовність із записаною інформацією про продукт, а також певний набір регуляторних елементів послідовності, від яких залежить запуск / блокування процесу транскрипції, шлях зчитування інформації тощо.

У кожній клітині багатоклітинного організму міститься кілька (іноді до кількох десятків) молекул ДНК – їхній набір однаковий для всіх клітин. Ця ДНК містить не тільки гени: принаймні мають бути з'єднувальні міжгенні ділянки. Сукупність послідовностей ДНК у клітинах даного організму називається геномом. На сьогодні повністю встановлено послідовності понад 700 бактеріальних і близько 100 еукаріотичних геномів. Головна відмінність між ними полягає в тому, що у прокаріотичних геномах кодуючі послідовності становлять близько 95 %, тоді як частка кодуючих послідовностей у геномах еукаріотів не перевищує 3 %. Розміри деяких геномів і оцінку кількості білкових генів у їхньому складі наведено в табл. 1.1.

Таблиця 1.1. Розміри геномів і кількість білкових генів деяких організмів

*Для еукаріотів розмір геному та кількість молекул відображають половину ДНК

уклітинному ядрі.

19

Генетика

Вірусні геноми побудовані надзвичайно "економно": кодуючі ділянки генів займають практично всю, порівняно невелику, вірусну ДНК. У геномі прокаріотичної клітини кількість ДНК і генів значно зростає, але зберігається принцип економічності щодо використання більшості послідовностей для кодування генетичної інформації. Наприклад, геном Escherichia coli представлений однією циркулярною молекулою ДНК (так званою бактеріальною хромосомою) довжиною 4,6 млн пар основ. Близько 90 % цієї ДНК припадає на кодуючі послідовності ~4,1 тис. білкових генів і ~120 генів РНК, що не транслюються.

Еукаріотичні геноми містять значно більшу кількість ДНК порівняно з геномами прокаріотів (див. табл. 1.1), причому переважна частина цієї ДНК представлена некодуючими послідовностями. У тому числі, приблизно половина еукаріотичного геному – це послідовності, представлені багатьма копіями (послідовності, що повторюються). Еукаріотична ДНК знаходиться у клітинному ядрі у складі хромосом, кожна хромосома містить одну гігантську лінійну молекулу ДНК. Послідовності, що повторюються, зосереджені, зокрема, на кінцях хромосом (теломери) та в зонах прикріплення хромосом до веретена поділу при мітозі та мейозі (центромери).

Характерною ознакою генів еукаріотів (на відміну від прокаріотів) є мозаїчний принцип будови кодуючої частини (рис. 1.9): власне кодуюча частина представлена послідовністю окремих змістовних ділянок – екзонів, розділених беззмістовними інтронами. Часто екзони відповідають окремим структурним доменам мультидоменних білків: еволюційне збирання білка з кубиків-доменів може здійснюватись шляхом перетасування екзонів на рівні ДНК. Беззмістовними інтрони є в тому сенсі, що не несуть інформації про кінцевий продукт, але в межах інтронів часто розташовані важливі регуляторні ділянки. Крім того, інтрони деяких генів можуть містити інші гени зі своїми інтронами та екзонами. При транскрипції молекула РНК синтезується суцільно (первинний продукт транскрипції – первинний транскрипт – має у своєму складі екзони та інтрони). Отже, необхідним етапом експресії гена є процес сплайсингу (розділ 2) – вирізання інтронів і зшивання екзонів у кінцевий транскрипт, який уже може бути використаний як матриця для білкового синтезу. При цьому сплайсинг може бути спрямований по різних шляхах (рис. 1.9) – альтернативний сплайсинг, – що приводить до утворення різних кінцевих продуктів – різних білків.

20