учебники / InformationalBiology_Oberemok

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/261438946

Основы информационной биологии

Book · January 2012

DOI: 10.13140/RG.2.1.4783.0249

1 author:

Vol Oberemok

V.I. Vernadsky Taurida National University

93 PUBLICATIONS 593 CITATIONS SEE PROFILE

All content following this page was uploaded by Vol Oberemok on 30 August 2015.

The user has requested enhancement of the downloaded file.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ТАВРІЙСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В. І. ВЕРНАДСЬКОГО

Кафедра біохімії

В.В. Оберемок

Методичний посібник з дисципліни

«Основи інформаційної біології»

для студентів 2 курсу денної форми навчання напряму підготовки 6.040102

«біологія» освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»

галузі знань 0401 «природничі науки»

Сімферополь 2012

СОДЕРЖАНИЕ

От автора……………………………………………………………………..................................4 Биологическая информация…………………………………………………………………..5 Теория информации…………………………………………………………………………….9 Практическое приложение теории биологической информации (ДНК-инсектициды)…………………………………………………………………………...14 Методы, используемые в изучении генетической информации……………….......17

Полимеразная цепная реакция……………………………………………………………...17 ДНК-секвенирование…………………………………………………………………………..19

Задачи……………………………………………………………………………..........................20 Список использованных и рекомендуемых источников...…………………………..22

3

ОТ АВТОРА

Возможно, что Природа заточила ДНК в ядро из-за её большого желания управлять

Когда мне предложили разработать и вести новый предмет для студентов второго курса биологического факультета, я почти не задумывался о том, о чём он будет. Ещё в студенческие годы меня заинтересовали молекулярногенетические методы и биохимия ДНК, поэтому мне хотелось прочитать курс, связанный именно с этими направлениями. В этой области в последнее время были сделаны серьёзные прорывы, которые изменили облик современной биологии и об этом стоило рассказать студентам. Но окончательный выбор я решил остановить на информационной биологии в связи с любопытным явлением, которое мне посчастливилось обнаружить учась в аспирантуре. Оказалось, что при использовании водного раствора коротких одноцепочечных фрагментов антиапоптозного гена вируса ядерного полиэдроза непарного шелкопряда на гусеницах его хозяина наблюдается гибель насекомого. Другими словами, короткие фрагменты генома вируса (хотя и в очень высокой концентрации) приводили к гибели насекомого как это бы сделала целая вирусная частица. Это было потрясающе! Информация, которая находилась в коротких фрагментах ДНК (длиной 18 нуклеотидов) нарушала работу клетки насекомого и она погибала. И хотя к тому моменту уже были открыты РНК и ДНК-интерференции, а также антисмысловые олигонуклеотиды, которые напоминали по механизму действия обнаруженное мной явление, всё же было очень мало простых практических приложений данных открытий какими были ДНК-инсектициды. Между строк всех этих открытий читалось: если Природа выбрала в качестве универсального источника информации ДНК и РНК, то с ней нужно разговаривать её языком. После этого я вплотную занялся разработкой ДНК-инсектицидов, препаратов на основе одноцепочечных фрагментов ДНК различной направленности в действии и изучением информационной биологии, чем продолжаю заниматься и сейчас.

В представленной брошюре собраны и изложены некоторые концепции информационной биологии, её связь с теорией информации, методы, которые станут для студентов отправной точкой в изучении данной области знаний. Дополнение в виде собственной исследовательской работы о ДНКинсектицидах поможет студентам понять как проводятся исследования и поспособствуют их выбору кафедр специализации в конце второго курса обучения.

Искренне надеюсь, что представленный материал подтолкнёт студентов к размышлениям, интересным экспериментам и открытиям в области информационной биологии.

4

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Биологическая (генетическая) информация об организме – это информация, которая закодирована в его нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК) и определяет его внешний вид, индивидуальное развитие, эволюцию. ДНК и РНК – это матрицы, по которым идёт считывание генетической информации о признаках организма.

Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из фосфорной кислоты, дезоксирибозы (в ДНК) или рибозы (в РНК) и азотистых оснований: гуанина, цитозина, аденина, тимина в ДНК и гуанина, цитозина, аденина, урацила в РНК (рис. 1).

Рисунок 1. Строение ДНК (1) и РНК (2)

Различные комбинации четырёх азотистых оснований определяют разнообразие генетических признаков, которые формирует уникальный генотип организма и его внешнее проявление – фенотип. Можно привести хорошее сравнение с языком, где также есть буквы, и их комбинация определяет различные слова, а различные комбинации слов определяют различный смысл предложений (рис. 2).

Рисунок 2. Результат изменения биологической (генетической) информации: возникает новая комбинация нуклеотидов и новый генетический признак

5

Но как нуклеиновые кислоты управляют жизнью клетки? Здесь нужно остановиться на «центральной догме молекулярной биологии», которая гласит, что наследственная информация преимущественно реализуется в направлении ДНК→РНК→белок через процессы транскрипции и трансляции.

Центральная догма молекулярной биологии

Пути переноса наследственной информации были сформулированы Френсисом Криком в 1956 году и доработаны в 70-х годах.

Френсис Крик предложил разделить все виды переноса биологической информации в клетке на три группы:

1.процессы, существование которых уже доказано: ДНК-ДНК, ДНК-РНК, РНК-белок, РНК-РНК;

2.процессы, которые не были экспериментально выявлены и с теоретической точки зрения не казались строго необходимыми: РНК-ДНК, ДНК-белок;

3.невозможные переносы: белок-белок, белок-РНК, белок-ДНК. Таким образом, информация обо всех случаях в клетке переносится однонаправлено по цепи: ДНК-РНК-белок. Белок не может служить матрицей для синтеза ДНК или РНК, поскольку у молекул белка нет свойства комплементарности отдельных частей молекул, что позволяло бы ее использовать как матрицу [3].

Рисунок 3. Центральная догма молекулярной биологии

Возникает вопрос: почему генетическая информация не реализуется в направлении: белок→белок? И почему мы отбрасываем из рассмотрения другие классы веществ – углеводы и липиды, которые играют в клетке важную роль и могли бы участвовать в переносе наследственной информации, являясь её носителями? Дело в том, что углеводы и липиды не обладают потенциалом в химическом строении для переноса генетической информации. Углеводов, в частности моносахаридов, существует огромное множество в клетке, при этом различие между ними в строении заключается порой в небольшой перегруппировке нескольких атомов. Трудно положиться на систему, где существует большое количество участников процесса, и они слабо отличаются друг от друга. Липиды – жиры, стероиды и воска – вещества, которые редко выстраиваются в настолько длинные цепочки, чтобы суметь записать достаточно большое количество генетической информации. Представим, что можно было бы раздробить генетическую информацию. Тогда можно было бы

6

записать генетическую информацию, основываясь на длине углеводородных цепочек в жирах или восках, но вещества, которые бы считывали её, должны были быть достаточно массивными. Можно было бы, наверное, присоединить четыре различных радикала к эстрановому кольцу и получить что-то похожее на 4 азотистых основания в ДНК, но эстрановые кольца достаточно крупные соединения и их синтез энергозатратен. Хорошо, тогда осталось ответить ещё на один вопрос: почему белки сами по себе не способны определять аминокислотную последовательность в полипептидной цепи? Известно, что белки состоят из 20 основных аминокислот. Можно представить, что существует 20 белков (ферментов), которые бы узнавали соответствующую аминокислоту в последовательности и присоединяли такую же к синтезируемой полипептидной цепи. Но большинство белков в клетке обладают третичной структурой и тяжело представить, как происходило бы считывание биологической информации, например с глобулы миоглобина. Но самая главная проблема – кто соберёт эти первые двадцать ферментов, которые соберут все остальные белки в клетке? Очевидно, что необходимо дополнительное вещество, которое бы участвовало в синтезе белков, некая матрица, на которой аминокислоты выстраиваются в определённом порядке и связываются под действием общего для всех белков фермента, катализирующего образование пептидной связи. И такая матрица есть у Природы – это нуклеиновые кислоты. А «общий фермент» – это рибосомы.

Как же можно управлять жизнью клетки при помощи нуклеиновых кислот? Примером такого механизма, регулирующего деятельность генов, является РНК-интерференция. Эндрю Файр и Крейг Мелло в 1998 г. в экспериментах c круглым червем Caenorhabditis elegans обнаружили, что короткие двухцепочечные фрагменты РНК очень эффективно отключают гены. Эта находка была случайной (как и многие другие в науке) – короткие двухцепочечные фрагменты РНК вводили для контроля, а для опыта применяли одноцепочечные РНК-фрагменты.

РНК-интерференция

РНК-интерференция – процесс подавления экспрессии гена на стадии транскрипции и трансляции. В итоге синтез соответствующего белка блокируется. Кроме этого, двухцепочечные молекулы РНК участвуют в метилировании ДНК и гистонов, что приводит к прямому отключению генов. Тонкие детали данного процесса в данный момент изучены недостаточно. Процессы РНК-интерференции обнаружены в клетках многих эукариот: у животных, растений и грибов. Система РНК-интерференции играет важную роль в защите клеток от вирусов, транспозонов, а также в регуляции развития, дифференцировки и экспрессии генов организма. РНК-интерференция обладает высокой специфичностью (подавляется экспрессия только того гена, нуклеотидная последовательность которого полностью соответствует нуклеотидной последовательности вводимой двухцепочечной РНК) и высокой эффективностью (экспрессия гена подавляется более чем на 90%, несколько

7

десятков молекул двунитевой РНК могут привести к деградации нескольких тысяч молекул РНК-мишени) (рис. 4) [4].

Рис. 4 Схема РНК-интерференции

Таким образом, если мы хотим заблокировать определённый ген, то мы создаём его двухцепочечную копию в виде РНК и вносим в клетку. Конечно, если мы хотим заблокировать экспрессию гена на стадии трансляции белка, то лучше вносить двухцепочечную молекулу РНК, состоящую из антисмысловой последовательности и комплементарной ей смысловой последовательности, повторяющей мРНК гена, чтобы исключить интронные последовательности и повысить эффективность РНК-интерференции.

Как согласуется биологическая информация с общей теорией информации?

8

ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ

Теория информации в её современном виде была сформулирована Клодом Шенноном в 1949 году. Сам Клод Шеннон определил информацию как снятую неопределённость.

Количество информации по теории К. Шеннона можно измерить, используя формулу Ральфа Хартли. Она гласит: если в заданном множестве К, содержащем N элементов, выделен какой-то х, о котором известно лишь, что он принадлежит множеству К, то, чтобы найти х, необходимо получить количество информации, равное log2N битам.

Слово бит произошло от английского binary digit – двоичная цифра. В этом названии кроется игра слов: bit по-английски «частица, небольшой кусочек чего-то». Другое определение бита: это ответ на вопрос, который подразумевает два ответа – «да» или «нет».

Таким образом, каждый нуклеотид в ДНК или РНК несёт log2 4, т.е. 2 бита информации. А последовательность нуклеиновой кислоты, например из 6 нуклеотидов, содержит 12 битов информации (рис. 5).

Рисунок 5. Схема определения количества информации в последовательностях нуклеиновых кислот

Для того, чтобы показать как информация связана с физическими процессами в клетке, нам нужно ввести понятие «свободная энергия». Свободная энергия означает энергию, способную производить работу.

Из второго закона термодинамики следует, что при самопроизвольных химических реакциях свободная энергия всегда уменьшается (∆G отрицательно). Когда система достигает равновесия, дальнейшего изменения свободной энергии не происходит (∆G = 0). Следовательно, состояние равновесия для замкнутой системы – это такое состояние, при котором её свободная энергия находится в минимуме.

Потеря свободной энергии при достижении равновесия сопровождается либо превращением энергии в тепло, либо возрастанием энтропии. Энтропия – это мера тепловой энергии системы на единицу температуры, которая недоступна для выполнения полезной работы. Энтропия является мерой неупорядоченности системы. Чем больше неупорядоченность системы, тем больше её энтропия. Возрастание энтропии означает, что многие самопроизвольные химические процессы протекают без выделения тепла. Так, например, при растворении поваренной соли NaCl в воде тепло не выделяется, а поглощается, и тем не менее свободная энергия этой системы снижается, так

9