Genetics_sivolob_et_al

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

які можна позначити як sgr+ (нормальний ген) і sgr– (мутантний ген), або ж як А та а відповідно. Якщо мутантний алель буде присутнім лише в одній хромосомі, алель А все одно виконає свою роботу, і насіння буде жовтим. У цьому разі прийнято казати, що алель А є домінантним, а алель а – рецесивним. Зелений колір насіння проявиться лише у випадку, коли обидві хромосоми будуть нести алель а – генотип буде гомозиготним за рецесивним алелем; гомозигота за домінантним алелем (АА) і гетерозигота (Аа) матимуть насіння жовтого кольору. Отже, якщо схрестити гомозиготи АА (жовті) та аа (зелені), усі нащадки першого покоління будуть гетерозиготами Аа з жовтим насінням.

Такі гетерозиготи будуть утворювати гамети двох типів: з алелем А або а в рівному співвідношенні. Якщо схрестити ці гетерозиготи першого покоління, то у другому поколінні на одну гомозиготу АА буде утворюватися в середньому одна гомозигота аа та дві гетерозиготи Аа (А – від батька, а – від матері або навпаки): особини з жовтим і зеленим насінням будуть отримані в кількісному співвідношенні 3 : 1.

Виходячи зі сформульованих вище положень, нами щойно отримано результат, опублікований Грегором Менделем (Gregor (Johann) Mendel) у 1866 р. Оскільки небагато знайдеться прикладів публікацій, з яких починалася б ціла наука, варто навести повне посилання на неї: Mendel G. Versuche über Pflanzen-Hybriden // Verh. Naturforsch. Ver. Brünn. – 1866. – Bd. 4. – S. 3–47. Звичайно, Мендель нічого не знав про ДНК та її реплікацію, хромосоми, мейоз і таке інше; він просто досліджував кількість особин із певними ознаками у схрещеннях гороху з жовтим і зеленим насінням. Проте сформулював найпринциповіші положення генетики: ознаки залежать від дискретних спадкових факторів (Мендель не користувався терміном "ген"), кожен такий фактор існує в кількох формах, дві копії фактора містяться в соматичних клітинах, у гамети переходить тільки одна з них.

Навіть виходячи з матеріалу цього розділу, зрозуміло, що в більшості випадків закономірності спадкування будуть значно складнішими (наступні розділи присвячено подальшому з'ясуванню цих закономірностей). Наприклад, якщо розглядати два гени, які визначають пару деяких ознак (Мендель вивчав і цей випадок, досліджуючи колір і форму насіння), то вони будуть спадкуватися незалежно один від одного, якщо знаходяться в різних хромосомах (як це й було в його дослідах). Якщо ж два гени присутні в одній хромосомі (зчеплені), то вони спадкуються разом. Але тільки за умови, що вони не розійшлися по різних гомологічних хромосомах (та не потрапили до різних гамет) унаслідок кросинговеру. Детальніше менделівські закони спадкування та відхилення від них розглянуто в розділі 3.

51

Генетика

Контрольні запитання і завдання

1.З яких трьох елементів складається нуклеотид? Чим хімічно відрізняються між собою рибо- і дезоксирибонуклеїнові кислоти?

2.Опишіть основні риси структури подвійної спіралі ДНК. Які взаємо-

дії стабілізують подвійну спіраль? Що лежить в основі комплементарності нуклеотидів?

3. Опишіть магістральний шлях передачі спадкової інформації

вживих системах.

4.Дайте визначення геному. У чому полягає найсуттєвіша відмінність між геномами прота еукаріотів?

5.Що таке інтрон і екзон?

6.Назвіть основні типи послідовностей ДНК, що повторюються.

7.Із яких елементів складається нуклеосома? Як організована хроматинова фібрила у просторі?

8.Що таке ядерний матрикс і яка його роль в організації хроматину

вклітинному ядрі?

9.Дайте визначення хромосоми, еухроматину, гетерохроматину.

10. Яка різниця між гаплоїдним і диплоїдним наборами хромосом?

В яких клітинах багатоклітинних організмів вони присутні?

11.Опишіть морфологію мітотичної хромосоми. На які типи поділяють мітотичні хромосоми?

12.Що таке політенні хромосоми?

13.Дайте визначення реплікативної вилки. Яка різниця між двома ланцюгами ДНК, що синтезуються під час реплікації? Що таке фрагменти Оказакі?

14.Які ферментативні активності мають бактеріальні ДНК-полімерази? Порівняйте особливості та функціональне значення ДНК-полімераз І і ІІІ.

15.Що таке праймер та яка його хімічна природа?

16.Яку функціональну роль виконує теломераза?

17.Порівняйте ексцизійну репарацію основ і нуклеотидів.

18.Як здійснюється репарація місметчів у ДНК?

19.Як здійснюється репарація дволанцюгових розривів ДНК?

20.З якої події починається гомологічна рекомбінація? Що таке гетеродуплекс? Що таке структура Холідея?

21.З якою імовірністю відбувається обмін ділянками між двома гомологічними молекулами ДНК і від чого залежить реалізація такого обміну?

22.Що відбувається з гетеродуплексом після завершення гомологічної рекомбінації? Що таке конверсія гена?

23.Назвіть етапи клітинного циклу в багатоклітинних еукаріотів?

24.Опишіть процес мітозу.

25.Опишіть процес мейозу.

26.Сформулюйте базові закономірності спадкування генів.

52

Генетика

цих комплексів приводять до варіацій функціональних. Білки та мультимолекулярні комплекси, відповідні за каталіз хімічних реакцій, функціонування сигнальних мереж, транспорт сполук тощо, залучені до складної системи реакцій і метаболічних перетворень (реактом і метаболом), до якої зводиться вся сукупність зовнішніх ознак та фізіологічних проявів організму.

Сучасна генетика є ще досить далекою від остаточного розуміння цього складного шляху від системи генів до сукупності ознак. Однак принципи передачі інформації від гена до білка (а часто й далі) нині вже з'ясовані в багатьох деталях.

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

Одне "слово" нуклеотидного тексту має відповідати одному із 20 типів амінокислот, що входять до складу білків. Загальна кількість комбінацій по два нуклеотиди з чотирьох дорівнює 16, а по три – 64. Отже, мінімальна кількість нуклеотидів у одному слові, достатня для кодування 20 амінокислот, має дорівнювати трьом. Саме це й реалізується в генетичному коді: одне слово – кодон – являє собою триплет нуклеотидів (рис. 2.1). Серед 64 кодонів три є сигналами зупинки синтезу білка (стоп-кодони, або нонсенскодони), решта (61 змістовний кодон) відповідають 20 амінокислотам. Певний триплет кодує одну й тільки одну певну амінокислоту. Зворотне співвідношення не є однозначним: 18 амінокислот кодуються кількома синонімічними триплетами – код є виродженим. Дві амінокислоти – Trp і Met – невироджені й кодуються лише одним кодоном кожна.

Три позиції нуклеотидів у складі синонімічних кодонів не рівнозначні: найважливішою для визначення змісту кодона є комбінація нуклеотидів у першій та другій позиції. При цьому друга позиція визначає зміст кодона найжорсткіше – нуклеотидні заміни по ній завжди приводять до зміни змісту (амінокислотної заміни). Найнезмістовнішою є третя позиція – нуклеотидні заміни по третій позиції в 70 % випадків не викликають змін змісту кодона.

Два параметри амінокислотних залишків мають особливе значення для структури білка: розмір і здатність взаємодіяти з водою. За останньою ознакою залишки можна розділити дві групи: полярні

54

Розділ 2. Експресія генів

(такі, що добре взаємодіють із водою, – Arg, Asn, Asp, Gln, Glu, His, Lys, Ser, Thr) і неполярні, або гідрофобні (Cys, Ile, Leu, Met, Phe, Trp, Tyr, Val). Три гідрофобні залишки (Ala, Gly, Pro) – маленького розміру, тому їх можна вважати "нейтральними" щодо спорідненості до води. У глобулярних водорозчинних білках співвідношення між гідрофобними й полярними залишками дорівнює в середньому 50 : 50. Унаслідок гідрофобного ефекту неполярні залишки прагнуть опинитися всередині структури білка, полярні залишаються на поверхні, зберігаючи взаємодії з водою. Це і є головна рушійна сила, яка змушує білковий ланцюг укладатися певним чином у просторі, формуючи компактну глобулярну структуру, що має певну функціональну активність.

2й нуклеотид

Рис. 2.1. Таблиця генетичного коду. Послідовності кодонів наведено у напрямку від 5'- до 3'-кінця у складі мРНК. Використано стандартні скорочення амінокислот (у дужках – загальновживані однолітерні скорочення): Ala – аланін (A), Arg – аргінін (R), Asn – аспарагін (N), Asp – аспарагінова кислота (D), Cys – цистеїн (C), Gln – глутамін (Q), Glu – глутамінова кислота (E), Gly – гліцин (G), His – гістидин (H), Ile – ізолейцин (I), Leu – лейцин (L), Lys – лізин (K), Met – метіонін (M), Phe – фенілаланін (P),

Pro – пролін (P), Ser – серин (S), Thr – треонін (T), Trp – триптофан (W), Tyr – тирозин (Y), Val – валін (V). Stop – стоп-кодон

55

Генетика

Залежно від типу нуклеотиду в другій позиції, усі кодони можна розділити на чотири групи (чотири стовпчики в таблиці коду на рис. 2.1). До групи U (урацил у другій позиції) належать гідрофобні амінокислоти великого розміру, до групи А – великі полярні амінокислоти (крім Tyr, але й він, хоча загалом гідрофобний, також здатен утворювати водневий зв'язок), група С сформована амінокислотами маленького розміру. Тобто нуклеотидні заміни в першій і третій позиціях у межах цих груп не викликають зміни властивостей амінокислоти, мінімізуючи вплив таких амінокислотних замін на просторову структуру білка: генетичний код є стійким до перешкод.

Наведена таблиця коду реалізується як для бактерій, так і для ссавців, тобто генетичний код досить універсальний. Але в деяких випадках (окремі прокаріоти, гриби, водорості, а також автономна генетична система мітохондрій) спостерігаються невеличкі відхилення від цієї універсальної таблиці. Наприклад, деякі стоп-кодони іноді стають змістовними. Слід зауважити також, що один із стоп-кодонів – UGA – у переважної більшості організмів використовується для кодування мінорної 21-ї амінокислоти – селеноцистеїну. Ця амінокислота включається при білковому синтезі лише в кілька важливих ферментів, таке нестандартне сприйняття стоп-кодона системою трансляції залежить від контексту послідовності, в якому цей кодон міститься.

У процесі синтезу білка триплети зчитуються з нуклеотидного тексту один за одним: сусідні триплети не перекриваються, між ними немає проміжків. Будь яка послідовність нуклеотидів може бути прочитана трьома різними способами, тобто вона містить три рамки зчитування (рис. 2.2). Нуклеотидна заміна може зумовити зміну змісту кодона – амінокислотну заміну, а видалення хоча б одного нуклеотиду привести до зсуву рамки зчитування, тобто заміни змісту всіх кодонів, розташованих нижче такого втраченого нуклеотиду (чи ділянки, довжина якої не є кратною трьом).

A U G C C A G A U C C C G A A . . . U G A

Рис. 2.2. Три можливі рамки зчитування, одна з яких (позначена червоними дужками) є відкритою

56

Розділ 2. Експресія генів

Рамка, яка розташована між стартовим (найчастіше роль стартового при білковому синтезі відіграє метіоніновий кодон AUG) і стоп-

кодоном, називається відкритою рамкою зчитування (ORF, open reading frame). Отже, кодуюча частина білкового гена обов'язково містить відкриту рамку зчитування.

СИНТЕЗ БІЛКІВ

Молекулярні механізми білкового синтезу в основному є спільними для всіх живих організмів. Зчитування інформації, записаної в послідовності нуклеотидів мРНК, та її переклад у амінокислотний текст розпочинається зі стартового кодона, де при ініціації трансляції відбувається остаточне збирання головного пристрою трансляції – рибосоми – комплексу рибосомної РНК і білків. Вона сканує нуклеотидну послідовність мРНК, рухаючись уздовж неї кроками по три нуклеотиди від 5'- до 3'-кінця під час елонгації трансляції до стопкодона, де відбувається термінація процесу. Під час сканування рибосома працює як декодуючий пристрій, забезпечуючи впізнання кодонів комплементарними щодо них триплетами (антикодонами) у складі тРНК (транспортні РНК), і як каталізатор процесу синтезу пептидного зв'язку між амінокислотами. Певний антикодон відповідає амінокислоті певного типу, яку несе на собі тРНК. Отже, тРНК є ключовою ланкою реалізації генетичного коду: саме вони забезпечують доставку амінокислот до рибосоми в порядку, який відповідає послідовності кодонів.

Транспортні РНК

Молекули тРНК містять 74–95 (найчастіше 76) нуклеотидів. У складі молекули формуються комплементарні дволанцюгові стебла та шпильки з петлями на кінцях за єдиною для всіх тРНК схемою (рис. 2.3). Кінцеві фрагменти ланцюга об'єднуються у дволанцюгове стебло, причому чотири нуклеотиди на 3'-кінці залишаються неспареними. 3'-Кінцевий триплет ССА є стандартним для всіх тРНК, до рибози кінцевого аденозину ковалентно приєднується амінокислота – відповідно, стебло називають акцепторним.

57

Генетика

CCA

5'

Акцепторне

стебло

Варіабельна за довжиною петля

Антикодонове

стебло

Антикодон

Рис. 2.3. Схема та просторова структура тРНК Зображення створено за допомогою програми PyMOL, код структури у Protein Data Bank 6TNA. Елементи структури пофарбовані однаково ліворуч і праворуч

Чотири дволанцюгові стебла попарно переходять одне в одне й формують дві приблизно перпендикулярні одна одній подвійні спіралі (рис. 2.3). У результаті молекула тРНК має Г- або L-подібну форму з двома плечима різної довжини: на кінці одного плеча акцептується амінокислота (акцепторне плече), на кінці іншого – у складі антикодонової петлі – розташований антикодон (антикодонове плече).

тРНК конкретного типу, яка відповідає певній амінокислоті, позначають, індексами, наприклад, тРНКAla. Якщо молекула тРНК містить амінокислоту, то таку аміноацил-тРНК позначають як Ala-тРНКAla. Загальне позначення для аміноацильованих тРНК – аа-тРНК.

Молекули тРНК є продуктами транскрипції відповідних генів, частина яких представлена кількома копіями, – близько 500 активних генів тРНК у геномі людини, 87 у геномі E. coli. Загальна кількість типів тРНК, які обслуговують процес білкового синтезу, становить близько 40 (наприклад, усі гени тРНК людини можна розділити на 49 родин за властивостями антикодонів). Оскільки типів тРНК більше, ніж амінокислот, одній амінокислоті може відповідати кілька тРНК – такі тРНК називають ізоакцепторними. Типів тРНК менше, ніж кодонів, тому одна тРНК здатна розпізнавати кілька синонімічних кодонів, що забезпечується неоднозначністю спарювання між першою позицією антикодона і третьою

58

Розділ 2. Експресія генів

(за якою в основному розрізняються синонімічні кодони (рис. 2.1)) – кодона. А саме: U та G здатні впізнавати по два нуклеотиди у третій позиції кодона, I (інозин – неканонічна азотиста основа, що досить часто зустрічається в першій позиції антикодона) упізнає три нуклеотиди (табл. 2.1).

Таблиця 2.1. Відповідність між нуклеотидами

у першій позиції антикодона і третій позиції кодона

Порядок залучення амінокислот до поліпептидного ланцюга, який утворюється при білковому синтезі, залежить лише від взаємодій між нуклеїновими кислотами – кодоном і антикодоном; амінокислота, яку несе тРНК, жодним чином не розпізнається рибосомою. Отже, акцептування певної амінокислоти молекулою тРНК відповідного типу (і тільки відповідного) є одним із найважливіших моментів білкового синтезу: від точності процесу акцептування буде залежати й точність синтезу білка в цілому. Процес приєднання амінокислот до тРНК каталізується аміноацил-тРНК-синтетазами (АРСаза). Кожна із 20 типів (за кількістю амінокислот) цих ферментів є прецизійним молекулярним пристроєм, який забезпечує високоточне (середня частота помилок становить приблизно 10–6) акцептування амінокислот відповідними тРНК.

Рибосома й механізм трансляції

Рибосома – рибонуклеопротеїновий комплекс, який складається з двох субодиниць. Маленька субодиниця прокаріотичної рибосоми містить одну молекулу рРНК 16S (компоненти рибосоми прийнято позначати їхніми коефіцієнтами седиментації у сведбергах – S) і 21 молекулу рибосомних білків. Велика субодиниця містить дві молекули рРНК (23S і 5S) і білки 36 типів. Еукаріотична рибосома містить трохи більшу рРНК 18S замість 16S, дві рРНК (28S і 5,8S), замість 23S, рРНК 5S і більшу кількість білків. Структура обох рибосом і принципи їхньої роботи подібні.

Синтез еукаріотичних рРНК 18S, 5,8S і 28S здійснюється в ядерці, яке формується на тандемних повторах кластера відповідних генів рРНК (кластер повторюється від 100 до 1000 разів у різних видів).

59

Генетика

Первинний продукт транскрипції містить три фрагменти майбутніх рРНК, розділені спейсерами, – кластер транскрибується як одне ціле. Процесинг рРНК – деградація спейсерів, а також певні хімічні модифікації – здійснюється за участю близько 150 типів маленьких ядерцевих РНК (аналогічно до того, як маленькі ядерні РНК беруть участь у процесингу мРНК, про що йтиметься нижче). Гени рРНК ще одного типу – 5S – також тандемно повторюються в іншому місці геному, звідки рРНК 5S транспортуються до ядерця, куди потрапляють також і рибосомні білки, і де відбувається збирання рибосомних субодиниць. Первинний продукт транскрипції прокаріотичних генів рРНК містить ділянки, які відповідають усім трьом прокаріотичним рРНК, а також кілька майбутніх тРНК. Часткова деградація транскрипту приводить до утворення зрілих молекул, які взаємодіють із рибосомними білками, формуючи дві субодиниці рибосоми. Остаточне збирання рибосоми з двох субодиниць, як у про-, так і в еукаріотів, відбувається під час ініціації трансляції.

Рибосомні РНК становлять близько 2/3 маси рибосоми й саме вони визначають її структуру та функції. Полінуклеотидний ланцюг рРНК утворює велику кількість подвійних спіралей, які укладаються в складну просторову структуру. Рибосомні білки розташовані на поверхні рРНК (і, відповідно, на поверхні рибосоми), стабілізуючи її функціонально активну просторову організацію.

Під час роботи рибосоми її маленька субодиниця взаємодіє з мРНК. Сумісно двома субодиницями утворюються сайти зв'язування для трьох молекул тРНК (рис. 2.4): А-сайт – у ньому відбувається зв'язування аа-тРНК; Р-сайт – тут із рибосомою взаємодіє пептидилтРНК (тРНК, до якої приєднаний пептидил – ланцюг, що синтезується); Е-сайт (від exit) – куди потрапляє деаміноацильована тРНК перед її звільненням із рибосоми.

Зчитування інформації з мРНК здійснюється рибосомою в напрямку від 5'- до 3'-кінця, поліпептидний ланцюг синтезується від N- до С-кінця. Процес трансляції розпочинається зі стадії ініціації (рис. 2.4), коли рибосомою впізнається стартовий кодон, що задає початок і рамку зчитування інформації. На нього та в Р-сайт рибосоми одночасно завантажується ініціаторна аа-тРНК. Ефективність здійснення цих операцій забезпечується набором певних білкових факторів ініціації.

Стартовим кодоном є здебільшого метіоніновий кодон AUG, відповідно, ініціаторною є завжди Met-тРНКіMet (індекс "і" вказує на те, що це – саме ініціаторна метіонінова тРНК, тобто вона відрізняється за своєю структурою від звичайної тРНКMet, яка використовується для включення Met усередині ланцюга). Отже, першою амінокислотою завжди виступає метіонін (як правило, відщеплюється посттрансляційно).

60