История развития генетики

ген — это участок ДНК, в котором  последовательность нуклеотидов определяет последовательность аминокислот в  полипептидной цепи.

Участок ДНК, в котором расположена  нуклеотидная последовательность, кодирующая единый полипетид иногда называется цистроном (от наименования т. н., „цистранс теста“, с помощью которого С. Бензер сделал своё открытие). Кроме этого названия употребляется так же термин „структурный ген“, ибо ген кодирует структуру белковой молекулы.²²

<…> в период интенсивного внимания к изучению ДНК (50-е годы) было уже ясно, что, во-первых, гены отвечают за синтез фермента или белка и, во-вторых, аминокислоты в белке расположены в определенной последовательности (первичная структура белка). После выяснения строения ДНК сам собой напрашивался вопрос: если белковая молекула состоит из строгой последовательности аминокислот, а ДНК — из строгого чередования нуклеотидов, то нельзя ли экстраполировать структуру ДНК на структуру белка?

Оказалось — можно. И новая блестящая  глава была вписана в генетику: это расшифровка генетического кода, или молекулярная азбука наследственности. Над этой задачей трудились такие известные ученые, как Г. Гамов, С. Очоа, А Корнберг, Ф. Крик, М. Ниренберг и другие. <…> Основной вывод по генетическому коду предельно ясный: три нуклеотида (триплет ДНК) в определенном сочетании отвечают за присоединение конкретной аминокислоты при синтезе белка. Сочетания нуклеотидов для всех аминокислот теперь хорошо известны, так же, как и общие характеристики генетического кода (универсальность, вырожденность и т. п.).

<...> Как бы подробно ни изучалась ДНК, все еще оставался неясным вопрос о тех событиях, которые совершаются между нею как носителем наследственной информации и синтезируемым белком, точнее, между триплетом ДНК и аминокислотой. Естественно, напрашивалось предположение, что между кодом генетической информации (ДНК) и ее продуктом (белок) должны существовать некие промежуточные молекулы. На основе таких рассуждений была сформулирована гипотеза промежуточных молекул. Но недостаточно сформулировать гипотезу, надо было найти доказательства. И они были найдены.

В конечном счете возник постулат о нескольких типах РНК как промежуточных  молекулах: информационной, рибосомной и транспортной.

Основную  смысловую нагрузку в процессе передачи информации несет матричная (ее называют также информационной) РНК. Образуется она в результате «переписывания» (транскрипции) информации с ДНК. Как известно, основания РНК строго соответствуют основаниям ДНК, только вместо тимина в РНК входит урацил. Процесс этот сводится к синтезу РНК на основе «расплетенной» нити ДНК. Он включает три ступени.

Его начало — инициация, осуществление — элонгация и остановка — терминация — связаны с определенными участками ДНК. А «дирижирует» этим грандиозным действием, происходящим в ДНК, ферментативный комплекс, называемый РНК-полимеразой. Именно РНК-полимераза, «расплетая» молекулы ДНК, контролирует образование РНК на ДНК. Но и это еще не конкретный продукт для начала следующего процесса — считывания информации (трансляции), то есть синтеза полипептидных цепей на молекуле матричной РНК. Дело в том, что ген представляет собой прерывистое образование. И кодирующие последовательности (экзоны) чередуются в нем некодирующими участками (интронами). Некодирующие последовательности РНК с помощью определенных ферментов (рибонуклеаз) «вырезаются», а остающиеся «нужные» участки РНК соединяются между собой с помощью еще одного фермента — РНК-лигазы.

Таким образом, образуется молекула «зрелой» матричной РНК (мРНК). Она соединяется с белком и переносится в цитоплазму клетки в виде особых частиц, названных «информоферами». Их структура и функции подробно изучены советскими учеными — академиками А. С. Спириным и Г. П. Георгиевым, удостоенными за эту работу Ленинской премии. В составе информофер «зрелые» мРНК переносятся в цитоплазму, которую называют фабрикой-кухней по производству белков и ферментов.

<…> В клетке есть еще два других типа РНК: рибосомная и транспортная.

Рибосомная  РНК является составной частью внутриклеточных частиц — рибосом. Они обнаружены у всех живых организмов. Именно в них происходит синтез белка на основе матричной РНК, несущей информацию о последовательности аминокислот в белке.

Транспортную  РНК называют посредником трансляции. Это она осуществляет доставку аминокислот  к мРНК, и на рибосомах происходит формирование соответствующей (коллинеарной, как ее называют) полипептидной цепи.

Как видите, ген работает с поразительной  точностью: последовательно осуществляет комплементарный синтез РНК на ДНК, удаляет участки РНК и формирует «зрелую» мРНК, точно чередует аминокислоты в соответствии с его кодом, прекращает деятельность при наработке достаточного количества продукта. Все идет своим чередом по раз и навсегда установленному порядку.²³

Регуляторные  гены

<...> фенотип мутации указывает на то, что может определять ген. Г.Мендель обнаружил, что мутации изменяют морфологию („морфологические мутации“), Арчибальд Гаррод, — что биохимическую реакцию („биохимические мутации“), Сеймур Бензер, — что структуру полипептида (мутации в структурных генах). Новый тип мутаций и новые функции генов в пятидесятые годы прошлого века обнаружили французские генетики Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андрэ Львов. Оказалось, что у кишечной палочки одна мутация может приводить к исчезновению активности сразу нескольких генов. Для того, чтобы использовать в качестве пищи молочный сахар — лактозу E.coli применяет сразу три фермента. Была обнаружена мутация, которая находилась вне этих трёх генов, но приводила к тому, что активности всех трёх ферментов отсутствовали и такие мутантные клетки не могли расти на среде с лактозой. Выяснилось, что эти три гена транскрибируются ДНК зависимой РНК полимеразой без остановок. (ДНК зависимая РНК полимераза — фермент, осуществляющий синтез РНК на матрице ДНК, далее для краткости — РНК полимераза). В результате образуется единая длинная матричная РНК, которая кодирует все три соответствующих фермента. Поскольку одна мРНК кодирует несколько полипептидов (цистронов), она была названа полицистронной. Стало ясным, что мутации в той части ДНК, которая находится перед тремя структурными генами, приводит к невозможности транскрипции и, как результат, одна мутация приводила к отсутствию трёх ферментов. ²⁴

Американский  ученый В. Геринг с коллегами, применив новые методы молекулярной биологии к анализу развития дрозофилы, обнаружил, что многие гены, контролирующие пространственную организацию развития эмбриона, содержат один и тот же сегмент ДНК. Он был назван гомеобоксом и представляет собой короткую последовательность ДНК — короткий ее участок.

Те гены, в состав которых входит гомеобокс, обладают способностью регулировать активность других генов. Последовательность аминокислот (полипептид), образованная при трансляции гомеобокса, связывается с двойной спиралью ДНК, благодаря чему соответствующие гены «включаются» или «выключаются». Гомеобокс выявлен у многих организмов, в том числе у человека.²⁵

Участки ДНК, необходимые для транскрипции структурных генов, к которым  присоединяются либо РНК-полимераза, либо специальные белки, регулирующие, включающие или выключающие, транскрипцию, были названы регуляторными генами. В  этих генах расположены особые последовательности нуклеотидов, с которыми связываются  регуляторные белки, которые, в свою очередь, имеют для этого в  составе своей молекулы специфические  последовательности аминокислот, „узнающие  особые последовательности“ нуклеотидов. Понимание молекулярных механизмов такого „белок-нуклеинового“ узнавания  необходимо, в частности, для генной инженерии при конструировании  организмов с заранее заданными  механизмами регуляции генов. Наиболее распространённые типы регуляторных генов  — это промоторы (к ним присоединяется РНК полимераза, чтобы начать транскрипцию), терминаторы (на таких участках РНК  полимераза кончает транскрипцию), операторы (к ним присоединяются белки — репрессоры. выключающие  работу РНК полимеразы), энхансеры  и сайленсеры — участки ДНК, к  которым присоединяются особые белки. изменяющие скорость транскрипции и  тем самым, скорость синтеза соответствующих  белков.²⁶

Опероны

Если  несколько ферментов участвуют  в выполнении какой-то одной определённой задачи, например, последовательно  катализируют цепь биохимических реакций, расщепляющих, например, лактозу или  синтезирующих, например, лейцин или  триптофан, то очевидно, что синтез каждого из этих ферментов должен быть скоординирован с синтезом других ферментов этого метаболического, иначе единый метаболический путь не будет работать нормально. У прокариот  такая координация достигается  тем, что гены таких ферментов  расположены рядом (без „пробелов“, останавливающих транскрипцию) и  транскрибируются они с единой регуляторной зоны (в которой расположены промотор и оператор) в виде полицистронной мРНК. Такая организация регуляторных и структурных генов названа  опероном.

Чтобы оперон заработал РНК-полимераза должна присоединиться к промотору, а репрессор, под  действием определённого регуляторного  сигнала, отсоединиться от оператора  и, тем самым, открыть РНК полимеразе путь для транскрипции структурных  генов. В геноме бактерий расположены  тысячи оперонов, в которых, в свою очередь содержатся структурные  гены, кодирующих белки (или стабильные РНК), участвующие в выполнении какой  либо единой функции. Например, в геноме кишечной палочки содержится 2584 оперона, среди них 73% оперонов содержат только один цистрон, 16% — 2 цистрона, 4,6%  —  три цистрона, 6% — 4 и более цистронов. В 1965 г Ф. Жакоб, Ж. Моно и А. Львов  за открытие оперонов были удостоены  Нобелевской премии.

Наверное, предполагали генетики, гены и геномы эукариот устроены так же, как и  гены прокариот. Но то что, обнаружилось — было ошеломляющим.

Альтернативный  сплайсинг

Оказалось, что внутри генов эукариот всегда есть участки, которые информационного  смысла не имеют и не кодируют ни полипептидов, ни стабильных РНК. Эти  участки назвали интронами. Термин интрон образован из английских слов — intervening zone — зона, „перемежающая, смысловую последовательность гена“. А те участки, которые смысл имеют, т. е кодируют, были названы экзонами. Экзон — от англ. expressing zone — экспрессируемая  зона гена. Экзоны, как оказалось, кодируют так называемые части белковых молекул  — модули или домены (компактные структуры), играющие важную роль в  функционировании белковых молекул. Белковые молекулы состоят из нескольких модулей. Как правило, экзон кодирует участок  полипептидной цепи длиной 30–40 аминокислот. А большинство интронов имеет  длину от 40 до 125 нуклеотидных пар. Открытие мозаичной структуры эукариотных  генов было сделано в 1977 г группами учёных, возглавляемых американскими  исследователями Ричардом Робертсом  и Филиппом Шарпом.

Но как  работает такой ген? Состоящий из мозаики экзонов и интронов? А  вот как:

Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю

Бессмысленное слово, не так ли? Но если из него удалить  все интроны? Тогда получится сплайсинг. Именно этот процесс и необходим для реализации функции эукариотного гена — все не смысловые (не кодирующие) участки должны быть удалены. Но не из гена, а из комплементарной ему РНК, которая должна быть синтезирована РНК полимеразой. Термин „сплайсинг“ в буквальном переводе с английского означает „соединение“. После вырезания интронов экзоны должны быть соединены.

Итак, чтобы  эукариотный ген заработал необходимо создать (путём транскрипции) комплементарную  РНК — копию мозаичного гена, состоящую из экзонов и интронов, из РНК интроны удалить, а экзоны объединить. Полученный окончательный  транскрипт (теперь приобретший смысл) уже может быть использован для  реализации его функции, для трансляции, например. Что важно, интроны из первичного транскрипта удаляются по очереди, а не все сразу. Вот так:

Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю

Спласитьцйсиитбцнгорлю + еолдр

Сплайсиитбцнгорлю + еолдр + ситьц

Сплайсингорлю + еолдр + ситьц + итбц

Сплайсинг + еолдр + ситьц + итбц + орлю

Таким образом, если в гене есть N интронов, то для  сплайсинга необходимо N стадий вырезания  интронов и сшивания экзонов. И если в какой-нибудь стадии произойдёт ошибка, например, при вырезании интронов будет вырезан один нуклеотид  из экзона — это приведёт к тому, что ген свою функцию не выполнит и „наказанием“ за такую неточность будет или смерть, или тяжёлое  нарушение жизнеспособности, что  в ряду поколений кончится тем  же летальным исходом.

Для чего же такая умопомрачительная, весьма дорогостоящая и опасная, в случае ошибок, сложность? А для

Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс

В этом „гене“ 12 экзонов и 12 интронов. Если в 12 стадий удалить поочерёдно все интроны, то получится название особого типа сплайсинга:

Альтернативный + ища + цуюофе + ол + жиу + ке + ую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс

И вот  в чём смысл альтернативного  сплайсинга: некоторые, чётко определённые экзоны вырезаются вместе с интронами. И тогда из

Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс

Получится:

Альтернативный + ища + цуюофе + ол + жиу + ке + ую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс

Альт + ища + цуюофе + ол + жиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс

нативный + Аищалцуюофеьолтжиуекерую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс

наивный + Аищалцуюофеьолтжиуекерую + бюутха + про + бюу + ьцф + ооопс

левый + Аища + цуюофеьолтжиу + керуюнабюутхаипро + бюуньцф + ооопс

лев + Аища + цуюофеьолтжиу + керуюнабюутхаипро + бюуньцфыйооопс

В итоге, из одного, казалось бы, бессмысленного слова, получено шесть вполне осмысленных. А если это слово — ген?

Действительно, путь стыковки экзонов, принадлежащих  одному гену, может быть множественным. Некоторые экзоны могут удаляться  вместе с интронами. Такой альтернативный сплайсинг приводит к тому, что  один и тот же ген может кодировать семейство структурно схожих, но функционально  разных белков. На данный момент известное  максимальное количество разных белков, которое может кодировать один ген, составляет около 40 000! Например, ген  дрозофилы, который кодирует один из белков рецептора аксона за счёт альтернативного  сплайсинга может приводить к  образованию 38016 различных информационных РНК. Этот ген содержит 95 альтернативных экзонов. Но все ли гены экспрессируются  за счёт альтернативного сплайсинга? Согласно текущим знаниям, по крайней  мере, 74% генов человека работает с  помощью альтернативного сплайсинга!

Теперь  самое время задаться вопросом: что  такое ген?