9.1. Теория "один ген - один белок"

Впервые связь между генами и ферментами была обнаружена уже через несколько лет после повторного открытия законов Менделя. Исследуя родословные семей, Гаррод пришел в 1902 году к выводу, что алкаптонурия - болезнь, связанная с нарушением обмена веществ, для которого характерно выделение мочи цвета красного вина, передается по наследству. Он также предположил, что это заболевание обусловлено нарушением азотистого обмена, в результате которого вместо обычно содержащейся в моче мочевины выделяется какое-то вещество темного цвета. В 1908 году Гаррод высказал предположение, что больные алкаптонурией являются гомозиготами по рецессивному гену и что именно по вине этого гена у них не происходит какой-то ферментативной метаболической реакции. Случаи наследуемого нарушения способности осуществлять контролируемые генами ферментативные реакции Гаррод назвал "врожденными ошибками метаболизма". Однако идеи Гаррода, как и идеи Менделя, по-видимому, были слишком передовыми для своего времени. По этой причине они мало повлияли на состояние генетических идей того времени. Их значение было осознано лишь 30 лет спустя, когда они были открыты вторично.

Современная история изучения биохимического воздействия генов началась с серии исследований двух рецессивных мутаций окраски глаз у дрозофилы. Однако трудности идентификации продуктов метаболизма у столь высоко организованного животного заставили ученых обратиться к новому объекту - грибу, хлебной плесени (Neurospora crassa). Были проведены генетические скрещивания между нейроспорой дикого типа и различными метаболическими мутантами. Такие скрещивания показали, что у большинства из этих мутантов потребность в факторе роста обусловлена в каждом случае мутацией какого-нибудь одного-единственного гена. Подробное биохимическое исследование аномального метаболизма мутантов показало, кроме того, что у большинства из них блокирована лишь одна какая-нибудь стадия в цепи реакций, приводящих к образованию необходимых для роста аминокислоты, витамина, пурина или пиримидина. Основываясь на этих фактах Бидл и Татум выдвинули теорию "один ген - один фермент", согласно которой каждый ген имеет только одну первичную функцию - направлять синтез одного и только одного фермента. Именно четкая формулировка этого закона и убедительные экспериментальные доказательства дали толчок исследованию природы гена. Позднее было показано, что фермент это линейных полипептид и теория стала называться "один ген - один белок".

9.2. Проблема колинеарности генов и белков

Как известно ДНК служит матрицей для синтеза белка. Каждый ген проявляется путем образования РНК-посредника, который служит непосредственной матрицей для синтеза белка. Здесь важно подчеркнуть, что последовательность нуклеотидов в матричной РНК точно соответствует последовательности аминокислот в белке.

В экспериментах, выполненных на бактериях было формально показано, что ген и его продукты колинеарны, то есть последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке. Что позволяет рассматривать бактериальный геном как длинную молекулу ДНК, последовательные участки которой определяют различные белки (рис. 9.1).

В действительности участок ДНК обычно бывает длиннее, чем это нужно для образования белка, так как мРНК может содержать на обоих концах последовательности, не используемые для синтеза белка. Поэтому: обычно под "геном" понимают всю последовательность, копируемую в мРНК.

В 1977 году были обнаружена прерывистые гены. Первые данные были получены при сравнении ДНК и соответствующей мРНК. Оказалось, что внутри "гена" имеются последовательности, которых нет в мРНК. Прерывистые гена обычны у эукариот и архебактерий, и обнаружены у некоторых вирусов.

Ген в данном случае состоит из последовательностей ДНК двух типов. Экзоны - это участки, которые транскрибируются в мРНК, используемую для синтеза соответствующего белка. Интроны - это участки, транскрипты которых не обнаруживаются в зрелой мРНК (рис. 9.2). Таким образом, в процессе экспрессии гена появилась новая ступень, которой нет у прокариот. С ДНК считывается копия РНК, точно соответствующая последовательности генома - про-мРНК (РНК предшественник), которая непосредственно не используется для синтеза белка. Только после удаления из этой РНК интронов образуется зрелая мРНК, состоящая из одних только экзонов. Этот процесс называется сплайсингом РНК.

Экзоны всегда соединены вместе в том же порядке, в котором они находятся в ДНК. Это означает, что между индивидуальными экзонами и соответствующими участками полипептидной цепи сохраняется колинеарность гена и белка.

Известно несколько случаев (у бактерий и вирусов), когда отдельная последовательность ДНК участвует в кодировании более чем одного белка. Это так называемые перекрывающиеся гены. Они встречаются в относительно простых ситуациях, когда один ген является одновременно частью другого гена. Например, первая половина гена может независимо кодировать белок, представляющий собой часть белка, кодируемого целым геном (рис. 9.3). Аналогичный результат можно получить при частичном расщеплении сложного белка.

В некоторых случаях перекрывание бывает более сложного типа. У эукариот и вирусов обнаружены гены, у которых одна и таже последовательность ДНК принимает участие в синтезе двух негомологичных белков. Это происходит при считывании одной и той же последовательности в двух различных рамках (рис. 9.4). Такие случаи крайне редки и возникает она, вероятно, в результате того, что вирусам приходится кодировать необходимое количество белков без увеличивая размеров генома. Труднее объяснить наличие подобного механизма у эукариотических организмов и в митохондриях. Каким образом развиваются рамки считывания и что их ограничивает на данном этапе не совсем ясно.

В обычном прерывистом гене каждый экзон кодирует отдельную аминокислотную последовательность, представляющую часть белка, и ни один интрон не участвует в образовании пептида. Однако в некоторых случаях какая-то последовательность ДНК может участвовать в альтернативных процессах, и ее нельзя однозначно охарактеризовать как экзон или интрон. У вирусов высших организмов и в самих эукариотических клетках, обнаружены альтернативные типы экспрессии генов. В этих случаях возможно переключение во время сплайсинга. При образовании мРНК некоторые участки про-мРНК в одном случае ведут себя как экзоны, а при другом типе сплайсинга - как интроны (рис. 9.5).