Сегмент 22. Генотип и фенотип организма. Центральная догма молекулярной биологии

Сегодня каждый школьник знает, что организм имеет наследственную (генетическую) информацию о своих внешних признаках (строении, свойствах, поведении), которая передается от родителей к детям. Большинство сумеет объяснить, что эта информация в виде генов хранится и передается в хромосомах. Многие скажут, что ген - это участок молекулы ДНК, отвечающий за отдельный признак. Кое-кто вспомнит, что ДНК обеспечивает синтез белков, которые, в основном, и формируют внешние признаки. К этому следует добавить, что совокупность генов данного организма, то есть его генетических задатков, обозначается понятием генотип (от греческого genos - род, происхождение), а то, что получается в итоге - совокупность внешних признаков организма - называется фенотипом (от греческого phaino - являю, обнаруживаю). Наиболее думающие заметят, что под «внешними признаками» подразумеваются не только структурные свойства организма - форма частей тела, окраска и т. п., но также и функциональные характеристики - скорость роста, мышечная сила, характер питания, устойчивость к болезням и многое другое, что определяется функциями белков. Наконец, самые памятливые должны подсказать нам, что фенотип зависит не только от генотипа, но и от условий среды, в которых развивается организм, и что пределы варьирования фенотипа при неизменном генотипе обозначаются как норма реакции. Вот в сущности и вся квинтэссенция молекулярной биологии развития. Но почему белкам нужна внешняя информация? Почему информация хранится в ДНК? Как реализуется и чем контролируется эта информация?

В сегменте 20 мы выяснили, что белки, как и целые клетки, организмы, стареют и разрушаются, поэтому их надо создавать заново. Синтез новых белков необходим в каждом новом поколении клеток и организмов, а в долгоживущих клетках он происходит ежедневно и ежечасно. Но каждый тип белка имеет уникальную, строго обязательную последовательность из аминокислот 20 разновидностей (первичная структура), которая должна быть воспроизведена в точности. В противном случае это будет искаженный белок или бессмысленный, не функциональный полипептид. Вот почему в каждой клетке должна быть информация о первичной структуре белков, причем эта информация должна копироваться и наследоваться, чтобы воспроизводить те же белки в поколениях. Проблемами наследования биологической информации занимается наука генетика, а также возникшая на стыке химии, биологии и генетики молекулярная биология. В понимание теоретических основ биологической информации внесла свой вклад и кибернетика.

Заметим, что представление о генах как носителях наследственных признаков и сама наука генетика возникли еще в конце XIX века. В 1865 г. чешский монах Грегор Мендель при скрещивании разных сортов гороха открыл первые законы наследования отдельных признаков, доказал дискретность признаков, то есть их раздельное, независимое друг от друга существование и наследование. Представления о том, что такое гены, Мендель не имел и не мог иметь, так как ни ДНК, ни хромосомы тогда не были известны. Поскольку результаты наблюдений Менделя были опубликованы в мало доступном издании, о них узнали уже задним числом, когда в 1900 г. те же законы были переоткрыты другими учеными. К этому же времени стало ясно, что носителем генов являются микроскопические тельца - хромосомы, содержащиеся в клеточных ядрах, хорошо окрашиваемые (отсюда и название: от греческих chroma - окраска, цвет и soma - тело) и видимые во время деления клетки. Гораздо позднее - в 40-е годы XX века состоялось открытие ДНК и ее связи с хромосомами, а в 50-60-е годы установлена структура ДНК, выяснены причинные связи ДНК и белков, то есть генотипа и фенотипа.

Итак, в середине XX века состоялись великие научные открытия, обозначившие начало молекулярно-биологической революции в естествознании. Молодые исследователи Джеймс Уотсон из США и Френсис Крик из Великобритании в 1953 году расшифровали строение молекулы ДНК - материального носителя генетической информации (см. сегмент 7 и рис. 2). Следом был раскрыт и механизм передачи информации с ДНК на синтезируемый белок. Абстрактное до сих пор понятие гена приобрело материальный смысл и получило функциональное объяснение. Принцип функционирования ДНК (гена)при реализации наследственной информации был обозначен как центральная догма молекулярной биологии. Вот ее краткая формула: ДНК à РНК à белок.

Оставляя пока в стороне РНК, выделим самую суть догмы: информация о первичной структуре белка (например, какого-либо фермента) заключена в молекуле ДНК, то есть в молекулярной структуре гена. Процесс передачи информации однонаправленный: по ДНК можно построить белок, но обратный процесс - синтез ДНК по белку - не возможен. Вспомним, что белок и ДНК являются полимерами, но у них разные мономеры: аминокислоты в белке и нуклеотиды в ДНК (см. сегмент 7 и рис. 2). Таким образом, принцип кодирования белка с помощью ДНК состоит в том, что последовательность (порядок чередования) мономеров-аминокислот в белке зависит от последовательности мономеров-нуклеотидов в молекуле ДНК. Важно понимать, что процесс «передачи информации» от ДНК на белок означает реакцию синтеза белка, то есть процесс сборки новой полимерной белковой цепи из отдельных аминокислот, которые поступают в клетку в качестве пищи.

Как видно из формулы центральной догмы, передача информации, то есть синтез белка, осуществляется с помощью особого посредника - молекулы информационной РНК (рибонуклеиновая кислота). РНК, как и ДНК, состоит из 4 типов нуклеотидов (только тимин - Т заменен на близкий ему урацил - У), но в отличие от ДНК представляет одноцепочечный полимер (см. сегмент 7 и рис. 2). РНК синтезируется из свободных нуклеотидов на одной из цепей молекулы ДНК по принципу комплементарности (дополнительности) и фактически является рабочей копией гена, так как ее нуклеотиды повторяют нуклеотидный набор одной из цепей ДНК (рис. 13). Этот этап называется транскрипцией (от латинского transcriptio - переписывание) и осуществляется в ядре клетки, где хранится ДНК. Теперь РНК переходит в цитоплазму, и по ней идет синтез белка с помощью так называемых транспортных РНК и специальных органоидов рибосом. Транспортные РНК выступают в роли «переводчика» с 4-буквенного языка нуклеотидов на 20-буквенный язык аминокислот, что следует из их структуры. Один конец тРНК имеет вывернутый наружу триплет (тройку) нуклеотидов - антикодон, который присоединяется к комплементарному триплету иРНК - кодону, а другой конец держит аминокислоту, строго соответствующую данному антикодону. Когда две молекулы тРНК, нагруженные аминокислотами, сойдутся на соседних кодонах иРНК, рибосома обеспечивает соединение висящих аминокислот (см. рис. 13). Так, шаг за шагом осуществляется синтез полимерной цепи белка. Этот второй этап передачи информации от РНК к белку называется трансляцией (от латинского translatio - передача). Как видно, генетический код является триплетным - он устроен так, что трем нуклеотидам цепи ДНК (РНК) соответствует одна аминокислота белковой цепи.

Рис. 13

Таким образом ДНК (ген) выполняет роль матрицы (шаблона, образца) для синтеза белка. Информационная РНК служит промежуточной матрицей, то есть рабочей копией гена. В целом в молекулярной биологии выполняется принцип: один ген - один белок.

Почему именно ДНК выбрана Природой для кодирования структуры белков, не известно. В 20-х годах Российский биолог Н.Кольцов высказал идею о самовоспроизведении белков по матричному принципу. В отношении матричного принципа догадка была гениальной, но роль матрицы, как выяснилось позднее, выполняют не сами белки, а молекулы ДНК - полимера совершенно не похожего на полипептидные цепи белков. Согласно одной из новых гипотез (Костецкий, 1999) уже в момент зарождения жизни на Земле на основе перестройки кристаллов природного минерала апатита сразу возник комплекс ДНК и простого белка. Кристаллы апатита изначально имели многочисленные искажения кристаллической решетки («мутации»), что и послужило первичным источником разнообразия генов и, соответственно, белков. В последствии искажения нарастали, возрастало разнообразие структур и функциональных свойств белков. Таким образом, ДНК-белковое соответствие является изначальным свойством жизни.