Молекулы рнк: инструменты для синтеза белка

В 1940-х годах, когда ученые еще недостаточно хорошо представляли строение нуклеиновых кислот, были получены доказательства того, что синтез белков всегда сопровождается синтезом рибонуклеиновой кислоты (РНК). Как было показано в гл. 7, РНК отличается от ДНК тем, что вместо сахара дезоксирибозы она включает в себя сахар рибозу, что она, как правило, состоит из одной цепи, что место тимина в ней занимает урацил. Но по своей структуре урацил походит на тимин, и он может связываться с аденином и образовывать пару A—U вместо пары А—Т в ДНК. Одиночная цепь РНК может складываться и образовывать двойные участки, удерживаемые вместе парами оснований A—U и G—С.

Почему получилось так, что в живых организмах содержатся два вида нуклеиновых кислот, похожих друг на друга, но вместе с тем и разных? Согласно одному из мнений РНК и ДНК естественным образом появились из «первичного бульона», на ранних этапах эволюции живой материи. Таким образом, вопрос сводится к тому, насколько полезными они были для первобытных клеток? Имеются доказательства того, что геном первобытных клеток состоял из РНК, а не из ДНК. Со временем по неясным причинам геномная РНК уступила свое место ДНК. В процессе отбора две молекулы приобрели каждая свою специализацию: ДНК переносит генетическую информацию, а РНК служит посредником для синтеза белка.

Надежное свидетельство того, что РНК переносит информацию от ДНК в цитоплазму, было получено в ходе опытов с использованием быстрооб-менивающихся радиоактивных меток. Такого рода эксперименты позволяют проследить за перемещением вещества, подобно тому, как за перемещением воды в реке можно наблюдать по окрашенному пятну. Клетки эукариот подвергаются быстрому воздействию уридина (это нуклеотид с урацилом), помеченного тритием, радиоактивным изотопом водорода (³Н-уридин). Уридиновая метка встраивается в любую РНК, которую синтезирует клетка за этот период. Из-за краткого времени воздействия такую метку называют быстрой, или пульсовой. После этого ³Н-уридин растворяют в большом количестве немеченого уридина. Затем начинают следить за меченой РНК, удаляя через разные промежутки из раствора часть клеток и подготавливая их к авторадиографии. Темные пятна, оставленные электронами, испускаемыми атомами трития, указывают на местоположение РНК. Вначале все метки содержатся в ядре. Затем их количество в ядре уменьшается, но увеличивается — в цитоплазме. Это говорит о том, что РНК переходит из ядра в цитоплазму. Чем больше времени прошло после прекращения периода мечения, тем меньше остается меток. Это говорит о том, что РНК, образуемая в период мечения, со временем разлагается, то есть она нестабильна. Таким образом, клетка образует РНК, использует ее в течение некоторого времени для каких-то целей, а затем расщепляет.

Другое доказательство было получено в ходе работ Эллиота Волкина и Лоренса Астрачана, изучавших нуклеиновые кислоты, образующиеся в бактериальных клетках после инфицирования фагом. Им удалось выделить новый вид РНК, состав которой удивительно похож на состав фаговой ДНК, но отличается от бактериальной ДНК. Эта РНК также быстро разлагается.

Для нуклеиновых кислот характерным показателем служит так называемое отношение оснований (А + T)/(G + С). Для ДНК разных организмов этот показатель очень сильно различается, и с его помощью можно идентифицировать близкородственные виды, а также классифицировать их на том основании, что у близких видов должны быть похожие ДНК. В отличие от ДНК у РНК этих организмов отношение оснований довольно постоянно. Основная доля их РНК приходится на рибосомную РНК (рРНК), то есть на те большие молекулы, которые составляют основу рибосом. Рибосома — это довольно большая внутриклеточная частица, состоящая из двух неравных частей. Каждая часть состоит из 30— 40 различных белков. Некоторые из них являются ферментами, помогающими выстраивать аминокислоты в новую белковую цепь. Они присоединяются к длинным молекулам рРНК, так что вся рибосома похожа на неправильную ягоду малины или ежевики. Среди других РНК большинство составляют молекулы гораздо меньшего размера, которые называются транспортными РНК (тРНК) (их функцию в процессе синтеза белка мы объясним далее). Но эти РНК быстро не разлагаются и после своего образования могут длительно существовать. По-видимому, вещество, обнаруженное Астрачаном и Вол-кином, и вещество, помеченное быстрообмениваю-щимися метками в клетках эукариот, были разными видами РНК. Сидней Бреннер, Франсуа Жакоб и Мэтью Меселсон провели другой эксперимент с метками, доказав, что РНК, образуемая после инфекции фага, на небольшой промежуток времени присоединяется к рибосоме, а потом разлагается. Они предположили, что эта РНК должна переносить информацию от фаговой ДНК к рибосомам, и назвали ее информационной, или матричной, РНК (мРНК). Рибосомы представляют собой всего лишь фабрики по производству белка. Они временно присоединяются к матричной РНК, которая программирует их на синтез отдельного белка.

РНК-транскрипция

Сейчас доказано, что РНК образуется в результате того же спаривания комплементарных оснований, с помощью которого образуется и двойная спираль ДНК из одинарной цепи (рис. 9.2). Этот процесс называется транскрипцией. Его выполняет особый сложный фермент — РНК-полимераза. Возле каждого гена располагается участок — промотор с последовательностью оснований, к которым присоединяется РНК-полимераза, или, как говорится, которые она распознает.

Рис. 9.2. В процессе транскрипции на одной из цепей ДНК образуется комплементарная ей цепь РНК. Этот процесс похож на синтез новой цепи ДНК во время репликации, но со следующими отличиями: а) копируется только одна цепь ДНК; б) синтезируется РНК, а не ДНК; в) процесс происходит при помощи фермента РНК-полимеразы

Затем полимераза слегка приоткрывает двойную спираль и движется вдоль гена, нуклеотид за нуклеотидом, синтезируя молекулу РНК с последовательностью оснований, комплементарных одной из цепей ДНК, служащей матрицей. При этом урацил U образует пару с аде-нином А, а цитозин С — с гуанином G. Получившаяся молекула называется транскриптом. Последовательность оснований транскрипта идентична комплементарной цепи ДНК, то есть кодирующей цепи, за исключением того, что место тимина занимает урацил. Относительно простой процесс транскрипции, описанный здесь, происходит в бактериях. Процесс образования мРНК эукариот несколько сложнее, о чем говорится в гл. 11.

С развитием электронной микроскопии стало возможным наблюдать процесс транскрипции непосредственно (рис. 9.3). Транскрипцию можно осуществлять и in vitro, в пробирке, то есть искусственно, при участии выделенной из клеток ДНК, РНК-полимеразы и четырех видов нуклеотидов РНК.

Убедительное доказательство комплементарности последовательности оснований ДНК и РНК было получено в ходе экспериментов по гибридизации нуклеиновых кислот. В 1960 году Поль Доти и Джулиус Мармур обнаружили, что при высокой температуре водородные связи между основаниями двух цепей ДНК разрываются, так что ДНК денатурирует, и ее цепи отделяются друг от друга. Если раствор денатурированной ДНК медленно охлаждать, то одинарные цепи со временем находят комплементарные цепи и снова образуют стабильные двухцепочечные молекулы. Если во время такого охлаждения, или «отжига», добавить одноцепочечные молекулы РНК, то образуются также и гибридные молекулы ДНК—РНК, но для этого требуются молекулы, полностью комплементарные цепям ДНК.

Рис. 9.3. Электронная микрофотография транскрипции РНК. ДНК имеет вид тонкой нити, проходящей через центр каждого участка, похожего по форме на перо. От ДНК отходят молекулы РНК: транскрипция самых длинных уже почти закончилась, транскрипция самых коротких только началась. Это рибосомные РНК, которые входят в структуру рибосом

Обычно в ходе таких экспериментов денатурируют ДНК и пропускают раствор одинарных цепей через нитроцеллюлозные фильтры. Если на эти фильтры нанести раствор меченой РНК, то РНК-транскрипты с комплементарными последовательностями соединятся с ДНК, и их можно будет легко обнаружить измерив радиоактивность фильтра. Молекулы РНК, не имеющие комплементарной последовательности, не соединятся с ДНК и пройдут через фильтр. В молекуле ДНК две цепи. Мы показали, как одна из цепей служит матрицей для РНК-полиме-разы, которая строит РНК. Но что если матрицей для разных РНК в разное время служат разные цепи ДНК? Джулиус Мармур попытался дать ответ в эксперименте с фагом SP8. ДНК этого фага представляет собой одну двойную молекулу, цепи которой сильно отличаются по плотности (чем больше гуанина в цепи, тем она плотнее), поэтому их легко разделить в растворе CsCl с градиентом плотности. Выяснилось, что РНК, образовавшаяся после инфицирования SP8, образует гибриды только с одной из цепей. Это доказывает, что матрицей для синтеза РНК служит только одна цепь ДНК. В случае с другими вирусами и большинством остальных клеток оказалось, что для синтеза РНК используются различные участки разных цепей ДНК, но, как правило, на протяжении отдельного участка транскрибируется только одна цепь. Этого и следовало ожидать, так как молекулы РНК, транскрибированные с комплементарных цепей одного гена, кодировали бы совершенно разные белки, и только один из них был бы функциональным белком этого гена.

Теперь, в свете всего сказанного, следует несколько расширить понятие гена, так как в клетках имеются два типа генов. Большинство генов кодируют информацию для синтеза специфического вида белка; транскриптами с этих генов служат мРНК, которые и заведуют синтезом белка. В ДНК также должны быть включены последовательности для синтеза стабильных рибосомных и транспортных РНК, поэтому в геноме содержатся гены для рРНК и тРНК. Продуктами этих генов служат не белки, а РНК-транскрипты, стабильные компоненты клеток, составляющие часть аппарата по синтезу белка, как будет показано далее.

Трансляция

Перенос информации с ДНК на РНК называется транскрипцией, а перенос этой информации с мРНК в белок — трансляцией. Обычно матричные РНК в течение некоторого времени программируют рибосомы на производство определенного белка, а затем разрушаются. Рибосома сама устанавливает рамку считывания, пропуская мРНК между своими половинами и передвигая мРНК по три основания за раз, начиная с 5'-конца и заканчивая 3'-концом. Одна молекула мРНК может проходить одновременно через несколько рибосом, которые синтезируют один вид белка друг за другом. Несколько рибосом, присоединенных к одной мРНК, называются полирибосомой.

Каждая мРНК содержит серию кодонов, скопированных с ДНК, но в аминокислотах нет химических структур, которые распознавали бы нужные кодоны. Тут в действие вступают транспортные РНК (рис. 9.4). В каждой клетке имеется по меньшей мере по одному виду тРНК для каждой из 20 аминокислот. В клетке также содержится 20 разных видов ферментов (аминоацил-РНК-синтетаз), по одному на каждую аминокислоту. Каждый фермент распознает строго определенную тРНК вместе с соответствующей ей аминокислотой и соединяет их. В результате получается аминоацил- т РНК. Три основания тРНК образуют антикодон, комплементарный кодону мРНК, так что каждая аминоацил-тРНК может подсоединяться к мРНК в нужном месте.

Рис. 9.4. Общая структура молекулы транспортной РНК. Обратите внимание на значительные внутренние сгибы, образованные парами G—C и A—U. Аминокислота присоединяется к одному концу, а на другом конце располагается петля с антикодоном, который распознает кодон матричной РНК. Структуры некоторых оснований слегка изменены добавлением небольших химических групп, таких как гидроксильная и метильная группы

Трансляция (рис. 9.5) начинается с того, что мРНК входит в рибосому. Кодоны мРНК распознаются по очереди, и тРНК подводят к ним соответствующие аминокислоты. Так образуется полипептидная цепь, последовательность аминокислот в которой определяется последовательностью кодонов. Важно отметить, что трансляцию одновременно производят две тРНК. Аминокислота одной тРНК соединяется с аминокислотой другой, после чего первая тРНК отсоединяется. После этого рибосома передвигает мРНК на один кодон дальше; вместе с этим перемещается и вторая тРНК, освобождая место для третьей тРНК. Затем процесс повторяется, и так полипептидная цепь растет шаг за шагом, причем очередная новая аминокислота всегда присоединяется к последней тРНК. (Когда производство белка заканчивается, эта цепь прерывается.) Это довольно точная модель трансляции, хотя некоторые подробности еще ждут своего объяснения.

Сложные гены эукариот

Когда исследователи начали изучать гены различных белков в клетках эукариот, обнаружилось, что взаимодействие генов и белков в этих организмах более сложное, чем взаимодействие генов и белков прокариот. Первые примеры такого взаимодействия были получены в 1977 году в лабораториях Филипа Шарпа и Пьера Шамбона. Вместе со своими коллегами они гибридизировали мРНК различных генов с теми ДНК, с которых были сняты эти информационные копии. У бактерий последовательность мРНК идентична последовательности кодирующей цепи ДНК (за исключением того, что место тимина занимает урацил), поэтому структура гибридных молекул была достаточно проста.

Рис. 9.5. Общие принципы синтеза белка. Информационная (матричная) РНК входит в рибосому так, чтобы первые два ее основания могли соединиться с двумя молекулами ами-ноацил-тРНК. К этому участку подходят две аминоацил-тРНК, кодоны, которых комплементарны кодонам мРНК. Затем первая аминокислота соединяется со второй пептидной связью, первая тРНК отсоединяется, и дипептид остается прикрепленным ко второй тРНК. Вместе с тем мРНК сдвигается на следующий «шаг» в рибосоме, после чего к ее третьему кодону может присоединиться третья тРНК. Между второй и третьей аминокислотой образуется пептидная связь, и весь процесс повторяется (обычно несколько сотен раз) до кодона мРНК, означающего остановку, после чего сформированный белок отсоединяется

Но когда под электронным микроскопом были сделаны снимки гибридных молекул генов эукариот, то в них обнаружился ряд петель. Это значит, что мРНК и ДНК имеют не совсем идентичную последовательность, и петли были как раз теми местами, в которых они не могли соединяться. Когда последовательность мРНК сравнили с последовательностью ДНК, стало понятно, что кодирующая последовательность генов в некоторых местах прерывается некодирующей последовательностью, то есть некоторые нуклеотиды не кодируют синтез белка. Впоследствии выяснилось, что это типичная картина для ДНК эукариот. Кодирующая последовательность гена называется эк-зоном, а некодирующая последовательность — ин-троном. Некоторые гены имеют в своей структуре несколько интронов. Часто обнаруживают и такие гены, в которых больше интронов, чем экзонов.

В общем случае при транскрипции генов эукариот образуются большие молекулы РНК, содержащие как экзоны, так и интроны. После этого особые комплексы ферментов (сплайсингсомы) вырезают из транскрипта все интроны и соединяют экзоны в одну мРНК, кодирующую производство белка. Далее эта РНК транслируется как обычно.

Причины, по которым природа придерживается такой структуры, до сих пор не ясны, но ее можно объяснить как с эволюционной точки зрения, так и с точки зрения развития организма. Если говорить об эволюции, то такая структура ценна тем, что позволяет экспериментировать с генами и создавать новые гены. Кроссинговер может происходить внутри интронов, и в таком случае ошибки будут несущественными, а при рекомбинации могут образоваться новые экзоны и как следствие новые белки. Часто бывает так, что отдельный экзон кодирует отдельную область, или домен, белка, то есть отдельную часть белка с особыми функциями. Поэтому включение в ген нового экзона приведет к созданию белка с новыми областями и, возможно, с новыми функциями. Такое изменение генетической структуры может служить источником эволюции.

С точки зрения развития организма структура интрон-экзон ценна тем, что позволяет одноц нуклеотидной последовательности кодировать синтез более одного белка. Сейчас известны случаи, когда интроны в разных тканях режутся по-разному, и в результате синтезируются разные белки с разными функциями. Поэтому такая структура предоставляет возможность осуществить рост новых типов клеток с минимальным изменением информации.

Хромосомы эукариот содержат не только избыточную ДНК в виде интронов, но и повторяющуюся ДНК, которая не кодирует белки или стабильные молекулы РНК. Например, около 10% ДНК мыши приходится на ДНК с высоким содержанием повторяющихся элементов, то есть эти участки содержат короткие последовательности, длиной не более 10 нуклеотидных пар, повторяющихся миллионы раз. Еще 20% приходится на ДНК с умеренным содержанием повторяющихся элементов, то есть эти участки содержат последовательности из нескольких сотен нуклеотидов, повторяющиеся тысячи раз. Таким образом, очень большая часть хромосом эукариот состоит из ДНК, которая может подвергаться мутациям и рекомбинациям без выраженного эффекта. (О повторяющейся ДНК в геноме человека говорится в гл. 12.)

Генетический словарь

К 1962 году благодаря работам Крика и его коллег, о которых говорилось ранее, было установлено, что генетический код состоит из триплетов. После этого перед исследователями встала другая непростая задача: определить, какие именно аминокислоты кодирует тот или иной триплет. Как часто бывает, открытие было сделано почти случайно, после чего весь код был расшифрован за несколько лет — одно из величайших достижений молекулярной биологии! В 1961 году Маршалл Ниренберг и Филипп Ледер разрабатывали методы искусственного синтеза белка, смешивая рибосомы, источники энергии, активирующие ферменты, тРНК и другие компоненты. В одну из контрольных смесей, синтез белка, в которой не ожидался, они добавили искусственную РНК, состоявшую исключительно из ураци-ла, то есть полимера с нуклеотидной последовательностью U—U—U—U—U-, называемого полиури-диловой кислотой. Вопреки ожиданиям эта кислота повела себя, как информационная РНК, и стимулировала синтез белка. В такой среде с полиуридило-вой кислотой синтезировался только полифенил-аланин, то есть последовательность U—U— U должна была кодировать производство одной аминокислоты, а именно фенилаланина.

После этого открытия началось настоящее состязание между лабораториями Ниренберга и Северо Очоа, в которых с помощью синтетических РНК старались подобрать код к каждой аминокислоте. Поскольку фермент, создающий такие синтетические молекулы, соединяет основания в случайной последовательности, поначалу приходилось полагаться на статистический анализ получающихся полипептидов. Настоящий прорыв был сделан только тогда, когда Ниренберг и Генрих Матей попытались синтезировать мини-мРНК с тремя нуклеотидами в известной последовательности. Обнаружилось, что в искусственной среде каждый из этих триплетов присоединялся к рибосоме и распознавался только одним видом тРНК. Исходя из этого, легко было узнать, какие аминокислоты кодировались тем или иным триплетом. Исследователи выяснили, что UUU и UUC (если читать их в направлении 5→3'), например, присоединяют к себе тРНК фенилаланина, GUU — тРНК валина, UUG — тРНК лейцина, a UGU присоединяет тРНК цистеина. В конце концов с помощью ученых из других лабораторий был расшифрован генетический код всех аминокислот и получен своеобразный «генетический словарь» (табл. 9.1).

На основании приведенной таблицы можно сделать ряд выводов. Как и предсказывал Крик, код оказался вырожденным, но при этом количество кодонов, определяющих ту или иную аминокислоту, варьируется от одного (метионин, триптофан) до шести (лейцин, серии, аргинин). Кроме того, вырожденность кода довольно регулярна. В любом случае весь смысл определяют два первых основания (в направлении 5'→3').

Примечание. Каждый из 64 триплетов либо кодирует одну из aivfti-нокислот (обозначенных трехбуквенными сокращениями), либо означает конец синтеза полипептидной цепи.

В восьми случаях не имеет значения, какое за ними следует третье основание, так как аминокислота определяется и без него. В 12 случаях смысл определяет выбор между пурином (A, G) или пиримидином (U, С).

Триплет AUG, кодирующий метионин, в начале гена почти всегда используется для специальной тРНК, переносящей метионин с блокированной аминогруппой (N-формилметионин). В другие места белка метионин переносит другая тРНК.