Колинеарность генов и белков

Гипотезу о колинеарности гена белку можно было подтвердить, показав, что последовательность мутаций гена соответствует изменениям последовательности аминокислот, к которым приводят эти мутации. Для этого необходим ген с известной картой, кодирующий белок, последовательность которого также известна. Чарльз Янофски в этих целях исследовал гены ферментов, синтезирующие триптофан (trp- гены) в Е. coli. Янофски с коллегами использовал ген trpA, кодирующий производство белка А, часть фермента триптофансинтетазы. Исследователи определили полную последовательность из 267 аминокислот в белке А дикого типа и в 10 белках-мутантах по локусу trpA. Каждая мутация заменяла во всем белке только одну аминокислоту. Они составили также карты мутационных участков для 10 мутантов и показали, что последовательность мутационных участков и последовательность заменяемых аминокислот в мутантных белках соответствуют друг другу рис. 9.6. Генетическое расстояние между двумя участками мутаций пропорционально расстоянию между аминокислотами, на которые они воздействуют, так что генетическое расстояние, определяемое в результате рекомбинаций, действительно соответствует физическим расстояниям внутри гена. Обратите внимание на то, что в двух случаях два аллеля, выделяемые на основе рекомбинаций, соответствуют разным заменам одной и той же аминокислоты. Обычный глициновый остаток в позиции 210 у мутанта А23 заменяется на глутамин, а у мутанта А46 — на глутаминовую кислоту. Согласно генетическому коду глицину соответствует кодон GGX (где X обозначает А или G), и у мутанта А23 он заменяется на кодон CGX, а у мутанта А46 — на GAX.

Рис. 9.6. Колинеарность гена и синтезируемого им белка. Последовательность мутационных участков в ДНК идентична последовательности аминокислот белка. В двух случаях соседние мутации определяют разные замены одной и той же аминокислоты

Мутации А78 и А58 также по-разному затрагивают один и тот же кодон. Таким образом, ген состоит из линейной последовательности кодонов, определяющей последовательность аминокислот, и кодирующий элемент каждой аминокислоты может в результате рекомбинаций разделяться на части.

Этот впечатляющий генетический эксперимент был подтвержден другим замечательным экспериментом Джорджа Стейзингера и его коллег. Они получили мутанты фага Т4, производящие мутант-ный фермент лизоцим, и выделили синтезируемые ими белки, определив последовательность аминокислот. Под воздействием профлавина они вызвали мутации этого гена и получили супрессор. Белок двойного мутанта оказался почти дикого типа, за исключением небольшого бессмысленного набора аминокислот, соответствующих бессмысленному набору оснований между двумя мутационными участками. Это было изящное и логичное продолжение работы Крика.

Все описанные генетические опыты помогли ученым разработать модель работы гена. Они проводились независимо от биохимических исследований и вместе с тем подтвердили, что код ДНК транслируется в структуру белка.

Терминирующие кодоны

Три код она из 64 не служат кодом для аминокислоты. Они означают конец синтеза белка и называются терминирующими или нонсенс-(стои-) ко-донами (stop codon). Их существование было подтверждено нонсенс-мутациями, которые приводили к образованию именно таких кодонов. Обычно эти триплеты располагаются в конце гена, но если в результате мутации один из терминирующих кодонов оказывается внутри гена, то синтез белка немедленно прерывается. Одна из серий нонсенс-мутаций, а именно амбер- мутации, по определению имеет дефекты, супрессором которых может быть другая мутация, затрагивающая механизм синтеза белка. В результате супрессорной мутации образуется тРНК, способная распознавать нонсенс-кодон и вставлять в полипептидную цепь аминокислоту, делая тем самым этот кодон смысловым. Секвени-рование нормальных белков показало, что амбертриплет может образовываться только в результате мутации кодонов UGG, UAG и CAG, исходя из чего, был сделан вывод, что амбер-триплет — это UAG. Такая картина мутации подтверждает данные, полученные в ходе биохимических исследований.

Универсальность кода

Значение кодонов было выяснено в ходе опытов на бактериях Е. coli. Но что если в генах других организмов, в том числе и человека, используется другой шифр? В таком случае мутации белков человека не должны были бы соответствовать заменам оснований в кодонах, опознанных на примере Е. coli. Однако многочисленные эксперименты показали, что в генах различных организмов используются одни и те же кодоны и что генетический код во всех случаях один и тот же. (Правда, были обнаружены некоторые незначительные исключения. В митохондриях и хлоропластах имеются свои ДНК, которые определяют синтез некоторых их компонентов, и в этих ДНК встречаются несколько иные варианты кодонов.) Иными словами, получается, что мы можем искусственным образом синтезировать белки с использованием компонентов различных организмов: взять, например, мРНК дрозофилы и с помощью синтезирующего механизма растений получить белок дрозофилы. Таким образом, генетический код и механизм синтеза белков универсальны для всего живого. Универсальность генетического кода послужила одним из первых экспериментальных доказательств того, что все формы жизни на нашей планете происходят от общего предка. Труды великих ученых XIX столетия Чарльза Дарвина и Альфреда Рассела Уоллеса, а также их последователей начала XX века показали эволюционное родство между различными группами организмов. Однако немногие ученые были готовы к тому, что молекулярная генетика в первые же годы своего развития докажет, что от общего предка происходят все живые организмы. Получается, что мы, люди, родственники не только обезьянам или всем животным вообще, но и растениям, грибам и бактериям. Осознание этого родства всего живого имеет далеко идущие последствия не только для развития биологии, но и для всего человечества.

Так была подготовлена почва для появления молекулярной инженерии, которая обещает коренным образом изменить взаимодействие человека и природы. Как именно будет происходить подобное вмешательство и каковы могут быть его последствия, обсуждается в гл. 12. Но перед этим мы более подробно рассмотрим генетическую систему бактерий, которые служат основным орудием генетических манипуляций.

Глава десятая