Узнай о своих генах. Азбука для небиологов - Эррол К. Фридберг

Бреннер назвал мессенджер-РНК или мРНК[3]. Ее удалось обнаружить в небольшом количестве (чего прежде не получалось), поскольку она была необходима лишь на короткие периоды времени в процессе синтеза белка. Серия блистательных экспериментов, проведенных Бреннером, Криком и их коллегами, подтвердила предположение Бреннера! Это достижение позволило сделать гигантский шаг вперед в разгадке того, как образуются белки.

Матричная РНК (мРНК) производится в клетках с помощью фермента РНК-полимеразы, которая работает подобно ДНК-полимеразе, всегда сочетая С в ДНК с G в РНК, G в ДНК – с С в РНК, Т в ДНК – с А в РНК, но А в ДНК – с U в РНК. Процесс синтезирования матричной РНК (и других типов РНК) с помощью РНК-полимеразы называется транскрипцией, а процесс генерации цепочек аминокислот (полипептидов) – трансляцией.

Когда основные понятия синтеза белков были определены, ученым оставалось лишь объяснить, как информация транскрибируется из оснований А, Т, С и G в ДНК в основания А, U, С и G в матричной РНК, которая, в свою очередь, транслируется в белок. Бреннер с коллегами убедились в том, что фиксированное количество оснований должны кодировать включение конкретной аминокислоты в растущую цепочку полипептидов. Это понятие и стали называть генетическим кодом.

До проведения каких-либо экспериментов на основе простой арифметики предположили существование триплетного генетического кода (состоящего из трех следующих друг за другом оснований в ДНК). Если одно основание кода – А, Т, С или G – кодирует одну аминокислоту, то очевидно, что весь код может закодировать только четыре аминокислоты.

Точно так же, но с помощью двух оснований (AA, AT, AC, AG и т. д.) можно закодировать только 16 аминокислот. А трехбуквенный код (триплет) теоретически позволит зашифровать 64 аминокислоты – более чем достаточно, чтобы закодировать все известные нам 20 аминокислот. Теория теорией, а доказать экспериментально, что генетический код состоит из трех оснований (названных кодоном) – это совсем другое дело! Блистательный эксперимент Крика, Бреннера и их коллег доказал, что код, заложенный в гене, действительно представляет собой три основания – триплетный генетический код. Рис. 6.2 иллюстрирует, как Крик и Бреннер экспериментальным образом установили, что генетический код на самом деле читается кодонами, состоящими из трех оснований, а не из иного их числа, например четырех или пяти. Бреннер и Крик провели эксперименты, в которых X было химическим веществом (профлавином), встраивающимся между двумя нуклеотидами в ДНК.

Этот эксперимент доказал, что генетический код читается триплетами. Если бы генетический код читался четырьмя соседними нуклеотидами, то для описанных выше шагов потребовались бы четыре молекулы Х.

Рис. 6.3. Доказательство того, что генетический код – это триплетный код

В автобиографии «Моя жизнь в науке», опубликованной в 2001 году, Бреннер писал:

«Было нетрудно понять, что, сдвигая фазу кода, используя (по желанию) интеркалирующие агенты, мы должны получить размер кодона. Если ген мутировал из-за сдвига считывающей рамки кодона на одну молекулу профлавина, то общее число добавок профлавина для возвращения в рамку считывания (в смысловой регистр) должно равняться числу нуклеотидов в кодоне».

Если у вас возникли трудности с пониманием этого эксперимента, то вы попали в хорошую компанию! Позже Бреннер писал: «Эта концепция фазового сдвига была настолько чужда людям, занимающимся генетикой, что у нас вечно возникали проблемы, когда мы пытались объяснить им эту работу». Перефразируя поговорку «Две ошибки еще не правило», я бы описал этот блистательный эксперимент так: «Три ошибки иногда дают верный результат».

Бреннер и Крик назвали три последовательных основания в цепочке ДНК кодонами. Помимо кодонов, определяющих конкретную аминокислоту, необходимую для растущей цепочки полипептидов (белка), они открыли, что некоторые кодоны обозначают начало и конец белковой цепочки.

По мнению многих молекулярных биологов и генетиков, вклад Сиднея Бреннера в середине 60-х годов в понимание работы генетического кода, несомненно, заслуживал Нобелевской премии. Однако ждать этой награды ему пришлось до 2002 года, и получил он ее за исследование, которое не имеет никакого отношения к генетическому коду. Возможно, Нобелевский комитет, который ежегодно решает, кому присудить награду, испытывал неизбежное давление: ну разве можно отказать в награде одному из великих молекулярных биологов ХХ века еще при его жизни? Однако возникает вопрос: почему же Бреннера не наградили еще в начале 60-х? Лично я считаю, что Бреннер был и остается яркой личностью, которая не станет радостно терпеть дураков и нередко позволяет себе обижать других без извинений. С другой стороны, члены Нобелевского комитета – степенные шведы. Вот где кроется секрет наказания!

* * *

Включение аминокислот в полипептидные цепочки для образования белков не начинается прямо со считывания генетического кода в мРНК. Матричная РНК в секунду узнает совпадающий триплет нуклеотидов во втором типе РНК, называемой транспортной РНК (тРНК); тРНК присоединяется к конкретной аминокислоте, которая становится частью белка. А новый белок, в конце концов, собирается с помощью третьего типа РНК – рибосомной РНК, упомянутой выше.

Однако я не стану пугать вас подробностями всех этих и других типов РНК. На самом деле в генетическом коде важно понять, что триплеты оснований в ДНК совпадают с триплетами оснований в матричной РНК, которые, в свою очередь, узнают совпадающие триплеты последовательностей в другом типе РНК – транспортной РНК, которая уже присоединяется к конкретной аминокислоте (рис. 6.4).

Рис. 6.4.

Включение конкретной аминокислоты в растущую полипептидную цепочку происходит в клеточных структурах, называемых рибосомами, где тоже содержится РНК, которая, как считалось ранее, и есть неуловимая мРНК. В сущности, генетический код основывается на неизменном правиле: триплетная последовательность в ДНК, например CGA, всегда узнает комплементарную последовательность GCU в матричной РНК, которая, в свою очередь, снова узнает CGA в следующей РНК (тРНК), соединенной с конкретной аминокислотой. Таким образом, для восстановления исходного кодирующего триплета CGA в ДНК, необходимы два набора нуклеотидов (GCU в мРНК и CGA в тРНК; рис. 6.4).

Может возникнуть вопрос, почему последовательность CGA в ДНК прямо не узнает последовательность CGA в тРНК, прикрепленной к аминокислоте, минуя GСU в матричной РНК? Как я уже заметил ранее, Природа-мать со своей бесконечной мудростью поместила ДНК в ядро клеток, а синтез белка – в цитоплазму, мРНК требуется цитоплазме. Фрэнсис Крик называл серию событий ДНК → РНК → белок «центральной догмой» биологической информации. Когда вся полипептидная цепочка аминокислот полностью собрана, она сворачивается в уникальную трехмерную структуру, свойственную конкретному белку (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Как только полипептидная цепочка (слева) полностью собрана, она сворачивается в функциональную трехмерную структуру, уникальную