Линейный код, трехмерные последствия

Первичным хранилищем информации во всех живых клетках является ДНК. Эта информация закодирована в виде линейной последовательности букв «А», «Т», «Г», «Ц» вдоль цепи ДНК. Этот линейный код может быть передан потомству – за счет механизма точного копирования молекул ДНК.

В каждый конкретный момент некоторые участки ДНК транскрибируются. Такие участки называются «генами». РНК-полимераза копирует весь фрагмент, основание за основанием, синтезируя полностью комплементарную цепь РНК, состоящую из букв «А», «Г», «Ц», «У».

ДНК не только является матрицей для копирования, но и предоставляет информацию о том, где транскрипция должна начинаться («промотор») и где заканчиваться; сколько нужно сделать копий и в какой момент; и даже – в виде структуры синтезированной РНК- информацию о стабильности и продуктивности этой РНК!

Существует три основных класса РНК, транскрибируемых с матриц ДНК: это матричные РНК (мРНК), которые содержат информацию для сборки белков; транспортные РНК (тРНК), которые помогают собирать белки и рибосомальные РНК (рРНК) которые являются важнейшими структурными компонентами рибосомы, «фабрики» по сборке белков и катализируют саму реакцию синтеза полипептидной цепи.

мРНК содержат информацию для изготовления белков. В ходе процесса «трансляции», рибосомы переводят эту информацию, закодированную в последовательности нуклеотидов, в последовательность аминокислот в белке. Как они это делают? Ведь существует всего четыре вида нуклеотидов, но более 20 видов аминокислот!

Во время трансляции рибосома считывает нуклеотиды по три сразу, и приписывает каждому «триплету» соответствующую аминокислоту (триплеты часто называют «кодонами»). Каждая следующая аминокислота присоединяется на конец растущей белковой цепи. Существует всего 64 возможных кодона (столько возможно комбинаций из 4 букв по 3), это в несколько раз больше, чем число возможных аминокислот, поэтому сразу несколько кодонов соответствуют одной и той же аминокислоте. Это дает коду определенный запас «устойчивости».

Таким образом, информация, кодированная в линейной последовательности ДНК, используется для того, чтобы собрать линейную последовательность белка. В свою очередь, эта линейная последовательность определяет точную пространственную форму, которую примет белок и его особые химические свойства.

Подводя итог, основной путь передачи информации в клетке таков:

ДНК>>>РНК>>>БЕЛОК>>>ПРИЗНАК

Хотя код линейный, его последствия трехмерные. Основа технологии рекомбинантной ДНК в том, что манипуляции с линейной последовательностью ДНК приводят к желательным постоянным изменениям жизнедеятельности клеток.

Гены это отдельные «файлы» генетической информации

Ген это фрагмент ДНК, с которого транскрибируется РНК. Прямо или косвенно, эта РНК будет выполнять какую-то функцию, поэтому правильно думать о гене, как о единице функции.

Многие признаки, например, устойчивость к антибиотикам, закодированы одиночными генами. Однако большинство признаков, например, форма носа или цвет розы, являются следствием согласованной работы нескольких генов.

Гены могут иметь разную длину: от нескольких сотен до десятков тысяч пар оснований. На одной молекуле ДНК может находиться от десятка до многих тысяч генов. В свою очередь, в клетке может находиться одна или множество молекул ДНК (хромосом). В целом, число генов в клетке очень сильно варьирует. Например, бактерия E. coli содержит одну молекулу ДНК на которой расположено примерно 5 000 генов. Клетка человека содержит 46 молекул ДНК (хромосом) на которых в сумме расположено около 100, 000 генов.

Не все гены, содержащиеся в клетке, транскрибируются с образованием РНК (экспрессируются), в одно время и с одинаковой скоростью. Когда говорят о работе генов, говорят об «уровне экспрессии». Этот уровень контролируется клеткой в соответствии с определенными правилами, в свою очередь закодированными в ДНК.

Например, все клетки нашего тела (все 100 триллионов) содержат одинаковые молекулы ДНК. Тем не менее, клетки печени экспрессируют лишь те гены, которые нужны для функционирования печени, а клетки кожи экспрессируют совсем другой набор генов!

ДНК может быть порезана на части с помощью ферментов рестрикции (рестриктаз)

Рестрикционные ферменты, или рестриктазы, синтезируются бактериями для защиты от чужеродной ДНК, например, вирусной. Эти ферменты узнают короткие последовательности ДНК (4-6 пар оснований) и разрезают все молекулы ДНК, в которых встречается эта последовательность. Например, рестриктаза BamHI (читается «Бам-аш-один») узнает последовательность 5`…ГГАТЦЦ…3` и разрезает молекулу ДНК между двух Г в месте узнавания. Рестриктазы могут разрезать ДНК любого происхождения, бактериальную, растительную или животную, главное, чтобы там была последовательность узнавания (сайт рестрикции).

Куски ДНК могут быть сшиты с помощью ДНК-лигазы

Д НК-лигаза это фермент, сшивающий два куска ДНК, если их концы взаимно совместимы. Так, кусок человеческой, или лягушачьей, или ДНК помидора, разрезанной рестриктазой BamHI может быть легко сшит с бактериальной ДНК, если она была также разрезана BamHI. Соединяя молекулы ДНК разного происхождения, можно создавать рекомбинантные (гибридные) ДНК.

Гены из разных организмов можно переместить в бактерии. Например, можно поместить в бактерии человеческий ген гормона инсулина. В определенных условиях эти бактерии будут синтезировать полностью идентичный человеческому инсулин!

лигаза