ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД лекция 1 • «Расшифровка

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД лекция 1

• «Расшифровка генетического кода – одно из самых выдающихся открытий ХХ века. Генетический код представляет собой не случайный конгломерат соответствий между кодонами м. РНК и аминокислотами белков, а высокоорганизованную систему, проявляющую общие свойства и закономерности» . • «Самым трудным в проблеме кода было понять, что код существует. На это потребовалось целое столетие. Когда это поняли, то для того, чтобы разобраться в деталях, хватило каких-нибудь десяти лет» . • Развитие проблемы генетического кода прошло несколько этапов, в частности: - Кольцов Н. К. (1927, 1935) предложил в общей форме идею молекулыгена и матричный принцип ее дублирования; -Шредингер Э. (1944) ясно сформулировал необходимость кодирования генетической информации в структуре генов-молекул; -Колдуэлл П. и Хиншельвуд С. (1950) предложили идею матричного синтеза белков на ДНК; -Даунс А. (1952) сформулировал гипотезу о синтезе белков на РНК. • • 2

Первый этап изучения проблемы • Научные представления о генетическом коде как о реальной проблеме эксперимента и теории были сформулированы Гамовым Г. А. сразу после обоснования Уотсоном Дж. и Криком Ф. (1953) модели строения двойной спирали ДНК. • Первый этап изучения проблемы (1953 -1961) – гипотетический. В 1954 г. Гамов Г. А. сформулировал идею генетического кода как соответствие двух текстов, записанных при помощи двух разных алфавитов; предложил использовать технические средства криптографии. • • • Научные результаты первого этапа: 1 - постановка проблемы генетического кода; 2 - формирование понятий линейного текста, алфавита для НК и белков, генетической информации, записанной в этих текстах при помощи символов алфавита; 3 - представление о матричной роли РНК в трансляции; 4 - понятие о кодонах и доказательство их неперекрывания; 5 - предположение о триплетности кодонов и коллинеарности гена и белка. 3 • • •

Второй этап изучения проблемы • Второй этап изучения проблемы (1961 -1966) – экспериментальный. • • Было показано, что - кодоны триплетны, - между ними нет раздельных знаков, - гены, кодирующие сруктуру белков (цистроны), имеют фиксированное начало, ориентированное направление и фиксированный конец, - существует небольшое число некодирующих триплетов ( «нонсенсов» ), а код в целом сильно вырожден; - ген и кодируемый им белок взаимно коллинеарны (имеется последовательное соответствие между кодонами гена и аминокислотами белка). • • 4

Третий этап изучения проблемы Третий этап – после 1966 г. , связан с углубленным исследованием механизмов кодирования, системных свойств генетического кода: - симметрии, - регулярности, - помехоустойчивости, - универсальности, - возникновения и эволюции. 5

Прямая расшифровка генетического кода • Прямая расшифровка генетического кода осуществлена благодаря технике белкового синтеза в бесклеточных системах. • Ниренберг М. и Ледер Ф. подавали в бесклеточную систему тансляции E. coli различные олигорибонуклеотиды и показали, что индивидуальные фракции тририбонуклеотидов, ассоциированные с рибосомами, связывают определенные фракции т. РНК, заряженные определенными мечеными аминокислотами. • В 1961 г. биохимики М. Ниренберг и Г. Маттеи изучали синтез белков в бесклеточной системе E. coli. В каждой из 20 пробирок имелись все клеточные компоненты бактерии (кроме нуклеиновых кислот) и все 20 аминокислот, одна из которых содержала радиоактивную метку. В одном из экспериментов в качестве матрицы добавили в реакционную смесь полиуридиловую кислоту (РНК, состоящую из урацилового нуклеотида). В результате в 1000 раз увеличилось включение меченой аминокислоты фенилаланина. Значит кодон UUU кодирует фенилаланин. Параллельно с Нирнбергом и Маттеи начал изучать генетический код С. Очоа. С помощью фермента полинуклеотид-фосфорилазы (за его открытие Очоа в 1959 г. получил Нобелевскую премию) были синтезированы полинуклеотиды заданного состава. Эти матрицы стимулировали включение других меченых аминокислот в определенных пропорциях (табл. ). • 6

Частоты образования различных триплетов при случайном сочетании нуклеотидов в искусственно синтезированных полирибонуклеотидах при относительном составе аденина и цитозина в реакционной смеси 5 А : 1 Ц Состав триплета Теоретическая частота триплета Рассчитанные частоты встречаемости триплетов Включались аминокислоты в полипептид Соотношение аминокислот в полипептиде ААА (5/6)3 = 125/216 100 Лизин 100 60 Аспарагин, глутамин, треонин 20 : 24 4 : 4, 8 : 24 4, 8 2 А 1 Ц (5/6)2 х (1/6) х 3 = 75/216 1 А 2 Ц (5/6) х (1/6)2 х 3 = 15/216 12 Гистидин, пролин, треонин ЦЦЦ (1/6)2 = 1/216 0, 8 Пролин 7

The filter-binding assay for elucidation of the genetic code Reaction mixture includes washed ribosomes, Mg++, soluble enzymes, a particular trinucleotide, all 20 aminoacyl-t. RNAs, one of which is radioactively (14 C) labeled. (a) 14 C-labeled prolylt. RNA. (b) 14 C-labeled phenylalanyl-t. RNA. Only the aminoacylt. RNA whose binding is directed by the trinucleotide codon will become bound to the ribosomes and retained on the nitrocellulose filter. Use of this binding assay to test the 64 possible codon trinucleotides against the 20 different amino acids quickly enabled researchers to assign 8 triplet code words to the individual amino acids.

9

2. СВОЙСТВА КОДА • • Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; а 3 триплета (АТТ, АЦТ, АТЦ) получили название бессмысленных, или «нонсенс -триплетов» Они не шифруют аминокислот, но выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации. Обращает на себя внимание избыточность кода, проявляющаяся в том, что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение: мутационные изменения молекулы ДНК типа замены одного нуклеотида на другой далеко не всегда изменяет смысл триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов часто кодирует ту же самую аминокислоту. Иными словами, вырожденность кода повышает его запас прочности в случае возникновения генных мутаций. 10

Вопросы и задания 1. Почему генетический код не может быть дуплетным? 2. Что такое бесклеточная система? Какие компоненты она должна содержать для изучения генетического кода? 3. Какой полипептид будет синтезироваться в бесклеточ- ной системе, если в неё включить полиадениловый олигонуклеотид? 4. Выпишите в таблице все свойства генетического кода и дайте им определения. 5. Что такое нонсенс-триплет? Какие мутации генов называются нонсенс-мутациями 6. Что такое аминоацил-т. РНК? 11

12

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД • Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК. • Поскольку ДНК непосредственного участия в синтезе белка не принимает, то код записывается на языке РНК. В РНК вместо тимина входит урацил. 13

Свойства генетического кода: 1. Триплетность 2. Вырожденность 3. Наличие межгенных знаков препинания 4. Однозначность 5. Компактность 6. Универсальность 7. Помехоустойчивость 8. Неперекрываемость 9. Симметрия 10. Регулярность 14

1. Триплетность • Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3 -х нуклеотидов. • триплет или кодон - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. • Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20. Код не может быть дуплетным, т. к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4 -х нуклеотидов по 2) меньше 20. Код может быть триплетным, т. к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4 -х по 3) больше 20. Возможно, на первых этапах эволюции код был диплетным. Косвенное доказательство – замены 15 в третьей позиции кодона часто являются незначимыми.

16

17

2. Вырожденность Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом: • 2 АК по 1 триплету = 2 9 АК по 2 триплета = 18 1 АК 3 триплета = 3 5 АК по 4 триплета = 20 3 АК по 6 триплетов = 18 Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот. • Число кодонов для 1 АК хорошо отражает частоту встречаемости данной АК в белках. Исключение составляет Arg, т. к. в эукариотической ДНК дуплет CG встречается редко: 18

3. Наличие межгенных знаков препинания • ген- это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу t. РНК, r. РНК или s. РНК. • Гены t. РНК, r. РНК, s. РНК белки не кодируют. • В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3 -х терминирующих кодонов, или стопсигналов: UAA, UAG, UGA. Они терминируют трансляцию. • Условно к знакам препинания относится и кодон AUG - первый после лидерной последовательности. (См. лекцию 8) Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот). 19

4. Однозначность • Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции. Исключение составляет кодон AUG. У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин. 20

5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания • Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона. В 1961 г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его компактость. • Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида. Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген. Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген. Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть. Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген. • Эксперимент доказывает, что код триплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, наличие знаков препинания между 21 генами.

6. Универсальность • Генетический код был первоначально установлен у E. coli. Прямое доказательство универсальности кода было получено при сравнении последовательностей ДНК с соответствующими белковыми последовательностями. Оказалось, что у всех бактериальных и эукариотических геномов используются одни и те же наборы кодовых значений. Однако состав оснований сильно варьирует в противоположность относительному постоянству АК состава белков. Следовательно, различные виды используют различающиеся наборы кодоновсинонимов, а постоянство АК состава белков - результат вырожденности генетического кода. • Генетический код един для всех живущих на Земле существ. • Это является сильнейшим свидетельством в пользу единства происхождения и эволюции. Универсальность генетического кода означает, что он возник еще в первоначальном наборепримитивных клеток, от которых произшли все ныне живущие организмы. Универсальным оказался и генетический код цитоплазматического генома. • • В 1979 г. Беррел открыл идеальный код митохондрий человека. идеальным называется генетический код, в котором выполняется правило вырожденности квазидублетного кода: Если в двух триплетах совпадают первые два нуклеотида, а третьи нуклеотиды относятся к одному классу (оба - пурины или оба - пиримидины), то эти 22 триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту.

• Кодон Из этого правила в универсальном коде есть два исключения. Оба отклонения от идеального кода в универсальном касаются принципиальных моментов: начала и конца синтеза белка: Митохондриальные коды Универсальный код Позвоночные Беспозвоночные Дрожжи Растения UGA STOP Trp Trp STOP AUA Ile Met Met Ile CUA Leu Leu Thr Leu AGA Arg STOP Ser Arg AGG Arg STOP Ser Arg 23

Генетический код митохондрий • * Кодоны UGA AUA CUN AGA CGG ________________________________ • Универсальный код Stop Ile Leu Arg • МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ КОД: • Мыши Trp Met Leu Stop Arg • Дрозофилы Trp Met Leu Ser Arg • Дрожжей Trp Met Thr Arg ? • Neurospora crassa Trp Ile Leu Arg ? • Высших растений Stop Ile Leu Arg Trp ________________________________ • * CUN - N это консенсусный символ обозначающий, что в данной позиции может стоять любой из четырех нуклеотидов. 24

25

7. Помехоустойчивость • Мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой • В каждом триплете можно провести 9 однократных замен. Общее количество возможных замен нуклеотидов - 61 по 9 = 549. Из них: • 23 замены нуклеотидов приводят к появлению кодонов - терминаторов трансляции. • • аминокислоты, называют консервативными. Мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными. 134 замены не меняют кодируемую аминокислоту. 230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты. 162 замены приводят к смене класса аминокислоты, т. е. являются радикальными. Из 183 замен 3 -его нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов трансляции, а 176 - консервативны. Из 183 замен 1 -ого нуклеотида, 9 приводят к появлению терминаторов, 114 - консервативны и 60 - радикальны. Из 183 замен 2 -го нуклеотида, 7 приводят к появлению терминаторов, 74 - консервативны, 102 - радикальны. Итак: 364/162=2. 25 (отношение числа консервативных замен к числу радикальных 26 замен) - показатель помехоустойчивости генетического кода.

Мутации • Миссенс мутации приводят к аминокислотным заменам, • Нонсенс мутации образуют один из трех стоп-кодонов, • Молчащие мутации не приводят к замене аминокислот; • Чаще всего проявляются те миссенс мутации, которые приводят к заменам полярных остатков на неполярные и наоборот; • Нонсенсы и сдвиги рамки считывания часто встречаются в так называемых псевдогенах, которые представляют резерв эволюционного процесса – материал для формирования новых генов; • Интересно, что частицы РНК-содержащего бактериофага не проявляют инфекционности по отношению к клеткам E. coli, если с частотой 3% не происходит прочтения нонсенса в конце гена, кодирующего белок его оболочки. 27

8. Неперекрываемость • В 1956 г. Георгий Гамов предложил вариант перекрываемого кода. Согласно Гамовскому коду, каждый нуклеотид, начиная с третьего в гене, входит в состав 3 -х кодонов. Когда генетический код был расшифрован, оказалось, что он неперекрываем, т. е. каждый нуклеотид входит в состав лишь одного кодона. • Достоинства перекрываемого генетического кода: компактность, меньшая зависимость структуры белка от вставки или делеции нуклеотида. • Недостаток: большая зависимость структуры белка от замены нуклеотида и ограничение на соседей. 28

Пример перекрываемого генетического кода • В 1976 г. была секвенирована ДНК фага φХ 174. У него одноцепочечная кольцевая ДНК, состоящая из 5375 нуклеотидов. Было известно, что фаг кодирует 9 белков. Для 6 из них были определены гены, располагающиеся друг за другом. • Выяснилось, что есть перекрывание. Ген Е полностью находится внутри гена D. Его инициирующий кодон появляется в результате сдвига считывания на один нуклеотид. Ген J начинается там, где кончается ген D. Инициирующий кодон гена J перекрывается с терминирующим кодоном гена D в результате сдвига на два нуклеотида. Конструкция называется "сдвиг рамки считывания" на число нуклеотидов, некратное трем. На сегодняшний день перекрывание показано только для нескольких фагов. 29

Регулярность • Регулярность генетического кода связана с распределением основных свойств кодонов и аминокислот по столбцам (корням) генетического кода. • Кодоны характеризуются свойствами их основ и корней. Кодоны, имеющие одинаковые основы, образуют 16 тетрад генетического кода. • Основа называется сильной, если она полностью определяет смысл (аминокислоту) кодонов тетрады. Нуклеотд в третье позиции м. б. любым. • сильные основы: СU, GU, UC, CC, AC, GC, CG, GG (C: G: U: A=7: 5: 3: 1) • Основа называется слабой, если для однозначного кодирования аминокислоты необходимо также участие определенного третьего кодона. • слабые основы: UU, AU, UA, CA, AA, GA, UG, AG (C: G: U: A=1: 3: 5: 7) 30

• Отдельные аминокислоты кодируются группами (сериями) кодоновсинонимов. 18 серий из 20 содержат от двух до шести кодонов, две серии (Met и Trp) не вырождены, содержат по одному кодону. Средняя вырожденность генетического кода приблизительно три кодона на серию. • 17 серий из 18 вырожденных имеют свойство связности. В результате из любого кодона можно перейти к любому другому синониму путем последовательных замен, не выходя за пределы графа этой серии. Если такой переход можно сделать за один шаг, то серия называется полносвязной. • Вырожденность называется систематической, если кодоны-синонимы различаются в третьей позиции либо пуринами ( R=A или G), либо пиримидинами (Y=U или C), либо вообще любым из четырех нуклеотидов (N=A, G, U или C). Этим принципам удовлетворяют 30 пар кодонов из 32, а также 8 триад из 16. Все эти пары связны, а тетрады полносвязны. Остальные варианты вырожденности называют несистематическими. Они относятся к большим сериям: Leu и Arg – связные серии, Ser – несвязная серия, Ile – три кодона, полносвязная серия. 31

Графы связности для кодовых серий 32

Свойства аминокислот • • • Аминокислоты имеют два основных свойства, существенных в пространственной структуре глобулярных белков: размер (малые – М, средние – Ср, большие – Б) и полярностьнеполярность (ПНП) Cys – самая реактивная ам. к-та, Trp – самая большая и плоская ам. к-та, Arg – самая большая и корявая ам. к-та, Gly – самая маленькая ам. к-та, Ser – часть единственной несвязной серии, UGA – неоднозначный терминальный нонсенс, который в ряде случаев кодирует 21 -ю ам. к-ту - селеноцистеин Sec (если за кодирующим участком гена следует последовательность SECIS (Selenocistein Insertion Sequence). селеноцистеин 33

таблица Б М П П НП НП Ср Ср НП Б М НП Б П Ср Ср НП М Ср П П П Б Б FMet М М НП Все а. к. неполярны, не крайних свойств и размеров. НП Все а. к. малые, а основы сильные. Ср П Ср Все а. к. полярные и не малые, а основы слабые. М НП Крайние варианты а. к. и аномалии серий. 34

Симметрия 1. Проведем ось симметрии через центр круга препендикулярно плоскости листа и повернем круг на 1800 в плоскости листа. При этом все сильные и слабые основы сохраняют свои позиции, т. е. совмещаются с одноименными. 2. Проведем через центр плоскость симметрии, перпендикулярную плоскости листа и строкам текста. При зеркальном отражении круга в этой плоскости все сильные основы меняются местами со слабыми и наоборот. 3. Проведем через центр плоскость симметрии, перпендикулярную плоскости листа и параллельную строкам текста. При зеркально отражении круга в этой плоскости сильные основы меняются на слабые и наоборот. 35

Неоднозначность спаривания нуклеотидов в третьем положении кодона и антикодона 36

wobble rules Various base-pairing alternatives. (a) G: A is unlikely because the 2 -NH 2 of G cannot form one of its H bonds; even water is sterically excluded. U: C may be possible even though the two C=O are juxtaposed. Two U: U arrangements are feasible. G: U and I: U are both possible and somewhat similar. The purine pair I: A is also possible. (b) The relative positions of the glycosidic C 1 9 atoms in various base-pairing alternatives. The positional variation seen for the codon C 19 carbon atom is a measure of wobble. The U: C, C: U, and either of the two possible U: U base pairs bring the respective glycosidic C 19 atoms closer than the standard position; C 19 atoms in I: U, G: U, and U: G pairs 37 are spaced similar to the standard; the I: A pair moves them farther apart

• Francis Crick hypothesized that the first two bases of the codon and the last two bases of the anticodon form canonical Watson-Crick A: U or G: C base pairs, but pairing between the third base of the codon and the first base of the anticodon follows less stringent rules. That is, a certain amount of play, or wobble, might occur in base pairing at this position. The first base of the anticodon is sometimes referred to as the wobble position. • Crick examined the steric consequences of various noncanonical base pairs. The purine inosine was included because it was known to be a component of t. RNAs. In some pairs, the bases were rather close together, as revealed by the relative positions of their respective C 1' atoms. C 1' of the first nucleotide in the anticodon is taken as fixed and the relative position of the corresponding codon third-nucleotide C 1' is shown. The genetic code must often distinguish between pyrimidines (U or C) versus purines (A or G) in the third position (as in the codons for Phe versus Leu or His versus Gln). Therefore, pairing possibilities that bring the two C 1' atoms close to one another (as in the 2 U ··· U possibilities and the U ··· C/C ··· U possibility in Figure 32. 14 b) must not be tolerated. Otherwise, anticodon U would not specifically interact with either A or G but instead would indiscriminately read any base in the third position of the codon to contribute either a U: U, U: C, U: A, or U: G pairing to the anticodon-codon interaction. 38

Base-Pairing Possibilities at the Third Position of the Codon Bases Recognized on the Codon Base on the Anticodon U A, G C G A U G U, C I U, C, A Source: Adapted from Crick, F. H. C. , 1966. Codon-anticodon pairing: The wobble hypothesis. Journal of Molecular Biology 19: 548 -555. This constraint leads to a set of rules for pairing between the third base of the codon and the first base of the anticodon (Table 32. 3). The wobble rules indicate that a first-base anticodon U could recognize either an A or G in the codon third-base position; first-base anticodon G might recognize either U or C in the third-base position of the codon; and first-base anticodon I might interact with U, C, or A in the codon third position. Thus, the first base of the anticodon indicates whether the t. RNA can read one, two, or three different codons: anticodons beginning with A or C read only one codon, those beginning with G or U read two, while anticodons beginning with I can read three codons. Note that inosine is a versatile base in establishing degeneracy. (Inosine arises in t. RNAs from specific A residues that undergo deamination. ) Yeast t. RNAAla has I in the wobble position. The wobble rules also predict that four-codon families (like Pro or Thr), where any of the four bases may be in the third position, require at least two different t. RNAs. Such four-codon families could be read by two t. RNAs whose recognition 39 patterns are either UC and AG or are UCA and G.

The Purpose of Wobble • The first two bases of the codon confer most of the codon-anticodon specificity. The wobble position also contributes to codon recognition and specificity, but hydrogen bonds between noncanonical base pairs are weaker, and thus the pairing here is “looser. ” Wobbling is possible because the 5'-side of the anticodon is situated in a conformationally flexible part of the t. RNA anti-codon loop. There is a kinetic advantage to wobble: If all three base pairs of the codon-anticodon complex were of the strong Watson - Crick type, codon - anticodon associations would be more stable and the t. RNAs would dissociate less readily from the m. RNA, slowing the rate of protein synthesis. However, because the wobble position makes only a marginal contribution to codon - anticodon interaction, wobble tends to accelerate the process of translation. 40

Сodon usage или codon preference • Because more than one codon exists for most amino acids, the possibility for variation in codon usage arises. Indeed, variation in codon usage accommodates the fact that the DNA of different organisms varies in relative A: T/G: C content. However, even in organisms of average base composition, codon usage may be biased. Table 32. 4 gives some examples from E. coli and humans reflecting the nonrandom usage of codons. Of over 109, 000 Leu codons tabulated in human genes, CUG was used over 48, 000 times, CUC over 23, 000 times, but UUA just 6, 000 times. The occurrence of codons in E. coli m. RNAs correlates well with the relative abundance of the t. RNAs that read them. Preferred codons are represented by the most abundant isoacceptor t. RNAs. Further, m. RNAs for proteins that are synthesized in abundance tend to employ preferred codons. Rare t. RNAs correspond to rarely used codons, and messages containing such codons might experience delays in translation. • У видов различия предпочтений в использовании кодонов может быть связано с различными факторами, включая уровень генной экспрессии, GC-состав и т. д. , при этом родственные организмы имеют сходный тип предпочтения кодонов. Типы предпочтения кодонов для млекопитающих, E. coli и дрожжей оказались разными, но у близких видов они похожи. Использование наиболее частых кодонов повышает 41 точность и скорость трансляции.

Representative Examples of Codon Usage in E. coli and Human Genes The results are expressed as frequency of occurrence of a codon per 1000 codons tabulated in 1562 E. coli genes and 2681 human genes, respectively. (Because E. coli and human proteins differ somewhat in amino acid composition, the frequencies for a particular amino acid do not correspond exactly between the two species. ) Amino Acid Codon E. coli Gene Frequency/1000 Human Gene Frequency/1000 Leu CUA CUC CUG CUU UUA UUG 3. 2 9. 9 54. 6 10. 2 10. 9 11. 5 6. 1 20. 1 42. 1 10. 8 5. 4 11. 1 Pro CCA CCC CCG CCU 8. 2 4. 3 23. 8 6. 6 15. 4 20. 6 6. 8 16. 1 Ala GCA GCC GCG GCU 15. 6 34. 4 32. 9 13. 4 14. 4 29. 7 7. 2 18. 9 Lys AAA AAG 36. 5 12. 0 21. 9 35. 2 Glu GAA GAG 43. 5 19. 2 26. 4 41. 6 Adapted from Wada, K. , et al. , 1992. Codon usage tabulated from Gen. Bank genetic sequence data. Nucleic Acids Research 20: 2111 -2118. 42

43

Информационная емкость ДНК • На Земле живет 6 миллиардов человек. Наследственная информация о них заключена в 6 х109 сперматозоидах. • По разным оценкам у человека от 30 до 50 тысяч генов. У всех людей ~ 30 х1013 генов или 30 х1016 пар нуклеотидов, которые составляют 1017 кодонов. • Средняя книжная страница содержит 25 х102 знаков. ДНК 6 х109 сперматозоидов содержит информацию, равную по объему примерно 4 х1013 книжных страниц. Эти страницы заняли бы объем 6 -и зданий НГУ. 6 х109 сперматозоидов занимают половину наперстка. Их ДНК занимает менее четверти наперстка. 44

Общая структура молекул т. РНК • The general structure of t. RNA molecules. Circles represent nucleotides in the t. RNA sequence. The numbers given indicate the standardized numbering system for t. RNAs (which differ in total number of nucleotides). Dots indicate places where the number of nucleotides may vary in different t. RNA species. 45

Третичная структура т. РНК • Ribbon diagram of t. RNA tertiary structure. Numbers represent the consensus nucleotide sequence (see Figure 32. 1). The locations of nucleotides recognized by the various aminoacylt. RNA synthetases are indicated; shown within the boxes are one-letter designations of the amino acids whose respective aminoacyl-t. RNA synthetases interact at the discriminator base (position 73), acceptor stem, variable pocket and/or loop, or anticodon. The inset shows additional recognition sites in those t. RNAs having a variable loop that forms a stem-loop structure. 46

Основные элементы т. РНК • Major identity elements in four t. RNA species. Each base in the t. RNA is represented by a circle. Numbered filled circles indicate positions of identity elements within the t. RNA that are recognized by its specific aminoacyl-t. RNA synthetase. 47

• (a) An overlapping versus a nonoverlapping code. • (b) A continuous versus a punctuated code 48

Эволюция генетического кода • Генетический код — это «алфавит» , лежащий в основе функционирования любой живой системы на Земле. Ранее считавшийся неизменным и универсальным для всех организмов, генетический код, на самом деле, подвержен эволюционному процессу, в результате которого могут возникать различные аномалии — например, варианты кода, специфичные для отдельных биологических видов или даже субклеточных органелл (митохондрий). Одна из таких аномалий, по-видимому, представляет собой древнюю адаптацию, защищающую от окислительного стресса, вызванного переходом к аэробному дыханию, и приводящую к высокой концентрации метионина в митохондриях. 49

• Люди и многие другие животные используют два генетических кода для трансляции наследственной информации — стандартный код для белков, закодированных в клеточном ядре, и более «современный» вариант кода для трансляции митохондриального генома. Несмотря на первостепенное значение генетического кода в биологии, причины существования альтернативного кода в митохондриях оставались загадочными с момента его открытия в 1979 году. Различные гипотезы, касающиеся причин возникновения изменений в генетическом коде, отдавали предпочтение нейтральным эволюционным механизмам, поскольку принцип кодирования аминокислот не должен был меняться. 50

• Считалось, что любое изменение «смысла» отдельного кодона приведет к ошибкам в каждом транслируемом белке, что не может не иметь пагубных последствий для клетки. Адаптивное преимущество подобных изменений ставилось под сомнение. • Согласно гипотезе «захвата кодона» , GC-богатые кодоны могут исчезать из генома в результате изменения общего содержания нуклеотидных остатков G и C. (Известно, что геномы различных организмов могут существенно отличатся по этому параметру: сравните, например, АТ-богатый (75%) геном Micoplasma capricolum и GC-богатый (74%) геном Micrococcus luteus. ) Как только кодон исчезает из генома организма, он теоретически может появиться снова в результате дрейфа генов. Такой кодон может быть «захвачен» путём неверного прочтения какой-нибудь т. РНК из другой семьи кодонов. Таким образом, перекодировка кодона происходит абсолютно нейтрально и без появления «нездоровых» белков. 51

Окислительный стресс сформировал митохондриальный генетический код 52

• • В статье, опубликованной группой исследователей из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, впервые показано, что причиной переопределения кодона AUA с кодирующего изолейцин на кодирующий метионин (что и наблюдается в митохондриях многих организмов) являются значительные и благоприятные в эволюционном плане изменения на уровне кодируемых белков. В своей работе учёные представили экспериментальные доказательства того, что присутствие метионина в качестве антиоксиданта во внутренней мембране создаёт дополнительный барьер для разрушительного влияния АФК Структурные модели белков электрон(активные формы кислорода). транспортной цепи (комплекса цитохромоксидазы Метионин является природным, COX), кодируемых геномом митохондрий отобранным в процессе эволюции, перистой морской звезды (иглокожее Florometra антиоксидантом, необходимым для serratissima) и пчелы (Melipona bicolor). Вид сверху функционирования электронсоответствует виду из митохондриального транспортной цепи митохондрий внутримембранного пространства, вид сбоку — и защищающий их те же структуры, внутримембранное от окислительного стресса. 53 пространство сверху. Остатки метионина отмечены красным

• Вопреки гипотезе «захвата кодона» , гипотеза «двусмысленного прочтения» предлагает механизм, не являющийся нейтральным. Согласно этой гипотезе, мутации в т. РНК приводят к тому, что считывание кодона осуществляется двумя различными т. РНК — обычной и мутантной, — «заряженными» различными аминокислотами, но узнающими один и тот же кодон. Такая двусмысленность в прочтении кодона является критическим начальным этапом в процессе последовательного перекодирования кодона. Затем мутантная т. РНК постепенно займёт место обычной, которая будет утеряна в результате случайных мутаций. Изменение GC -содержания не играет при таком сценарии определяющей роли, и весь процесс определяется полезностью изменений на уровне синтезируемых белков, другими словами — появлением или отсутствием адаптаций 54

митохондриальный геном • особенности: • редактирование (у высших растений редактируется 3 -15% нуклеотидов м. РНК, у простейших – до 50%) • иногда наблюдается перекрывание генов (в мт геноме курицы ген тирозиновой т. РНК перекрывается одним нуклеотидом с геном цистеиновой т. РНК) 55

Происхождение системы трансляции и генетического кода в «РНК-Мире» (из: Wolf, Koonin, 2007) 56

а b c a- Рибозим R катализирует случайную реакцию; b- Аминокислоты стимулируют активность рибозима R; c- рибозим R развивает дополнительную энзиматическую активность пептидной лигазы. Один из субстратов, видимо, активирован производным аминокислоты - аминоациладенилатом. d e f d- Пептид с общими рибозим-стимулирующими свойствами освобожден от рибозима R и стимулирует активность другого рибозима; e- Исходная активность рибозима R (X-Y) и пептид-лигазной активности распределена между двумя рибозимами в результате дупликации и субфункционализации; появляется предок большой субъединицы рибосом (Rl). f- Малые РНК, связывающие аминокислоты (т. РНК), эволюционируют через селекцию для 57 аккумуляции аминокислот. т. РНК развивает способность автокаталитического аминоацетилирования; субстратом, видимо, был аминоациладенилат.

h i k h- Прото-большая субъединица Rl развивает способность связывать аминоацил т. РНК; активность Rl переключается с амикислотного лигирования на транспептидацию. i- Rs (предок малой субъединицы рибосом) способен связывать аминоацил т. РНК через взаимодействие между комплементарными основаниями триплетов. k- Специфические к аминокислотам варианты Rs эволюционируют посредством дупликации и функционализации. 58

Специфичные к аминокислотам варианты т. РНК эволюционируют через дупликацию и субфункционализацию А- узнавание аминокислотного остатка антикодоновой петлей; В- формирование димеров усиливает стереохимически свободное связывание аминокислот; С- т. РНК находится в двух альтернативных конформациях фолдинга: в одной кодон комплементарно спаривается с антикодоном, в другой- кодон связывает родственную аминокислту, антикодон открыт; D- аминокислота узнается сайтом «ad hoc» , не связанным ни с кодоном, ни с 59 антикодоном.

Генетический код митохондрий Код он Унив. код Челов. митох. код UG A Stop Trp AG A Arg Stop AG G Arg Stop AU A Ile Met • Человеческая митохондриальная ДНК кодирует только 22 типа t. RNA. Только эти t. RNAs используются при трансляции m. RNAs. Такая вырожденность достигается тем, что U в антикодоне t. RNA соответствует любому основанию в третьей позиции m. RNA (четыре кодона распознаются одним типом t. RNA). Кроме того, значение некоторых кодонов не совпадает с универсальным кодом. 60

Свойства аминокислот 61

Гидрофобность аминокислот • Гидрофобность аминокислот выражает степень в которой они предпочитают неполярное окружение (этанол в качестве растворителя или внутренность белка) по сравнению с полярным окружением, таким как вода. На этой диаграмме гидрофобные аминокислоты располагаются ниже нуля, а гидрофильные - выше. • Используются две шкалы. Шкала Фроммеля (Frommel, 1984) выражает свободную энергию переноса из гидрофобной среды в воду. Это внутреннее свойство аминокислоты, не зависящее от роли аминокислоты в белке. OMH шкала (Sweet and Eisenberg, 1983) - мера того, на сколько вероятна замена данной аминокислоты другой гидрофобной аминокислотой. 62

Относительная оценка подобия аминокислот 63

Аминокислота Непол. , Гидрофобные Alanine Полярные Отн. мутаб. 1 Гидрофобн. 2 hydrophilicity value 3 hydropaty index 4 Вероятн. нахожд. на поверхн. 5 Встречаемость Незаряженные Гидрофильные 100 -0. 4 -0. 5 1. 8 62 8. 3 Arginine 65 -0. 59 3. 0 -4. 5 99 5. 7 Asparagin e 134 -0. 92 0. 2 -3. 5 88 4. 4 Aspartic acid 106 -1. 31 3. 0 -3. 5 85 5. 3 Cysteine 20 0. 17 -1. 0 2. 5 55 1. 7 Glutamic acid 102 -1. 22 3. 0 -3. 5 82 6. 2 Glutamine 93 -0. 91 0. 2 -3. 5 93 4. 0 Glycine 49 -0. 67 0. 0 -0. 4 64 7. 2 Histidine 66 -0. 64 -0. 5 -3. 2 83 2. 2 Isoleucine 96 1. 25 -1. 8 4. 5 40 5. 2 Leucine 40 1. 22 -1. 8 3. 8 55 9. 0 Lysine 56 -0. 67 3. 0 -3. 9 97 5. 7 Methionin e 94 1. 02 -1. 3 1. 9 60 2. 4 41 1. 92 -2. 5 2. 8 50 3. 9 Phenylalan ine Proline 56 -0. 49 0. 0 -1. 6 82 5. 1 Serine 120 -0. 55 0. 3 -0. 8 78 6. 9 Threonine 97 -0. 28 -0. 4 -0. 7 77 Tryptopha n 18 0. 50 -3. 4 -0. 9 73 64 5. 8 1. 3

• 1 - чем ниже, тем менее вероятна мутация соответствующей АА. • 2 - гидрофобность - произвольные единицы основанные на OHM шкале, которые выражают возможность замены одной аминокислоты другой в ходе эволюции. Sweet, R. M. and Eisenberg, D. 1983. Correlation of sequence hydrophobicities measures similarity in three-dimensional protein structure. J. Mol. Biol. 171: 479 -488. • 3 - Hopp, T. P. and Woods, K. R. 1981. Prediction of protein antigenic determinants from amino acid sequences. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 78: 3824 -3828. • 4 - Kyte, J. and Doolittle, R. F. 1982. A simple method for displaying the hydropathic character of a protein. J. Mol. Biol. 157: 105 -132. • 5 - вероятность того, что>5% поверхности аминокислоты соприкасается с раствором, окружающим белок. 65

66

67

68

69

• ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД И ГАЛАКТИЧЕСКИЙ КОД 70

РУССКИЙ АЛФАВИТ И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД. В книге Г. Г. Длясина "Азбука Гермеса 71

72

73

74

• • Маршалл Уоррен Ниренберг (1927 -2010) — американский биохимик и генетик, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1968 году (совместно с Робертом Холли и Харом Гобиндом Кораной) «за расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белков» . Член Национальной академии наук США (1967). Родился в Бруклине в семье выходцев из Российской империи Харри Эдварда Ниренберга и Минервы Быковской. С 1937 года семья жила в Орландо (штат Флорида), где его отец управлял молочной фермой и основал Конгрегацию (общину) либерального иудаизма. В 1944 году поступил в Флоридский университет, где в 1948 году получил степень бакалавра наук, а в 1952 — степень магистра зоологии. В 1957 году защитил диссертацию на соискание степени доктора наук на факультете биохимии Мичиганского университета. С 1957 по 1962 год работал в Национальных институтах здоровья в Бетесде. В 1962 году возглавил Отдел биохимической генетики в Национальном институте сердца (ныне Национальный институт сердца, легких и заболеваний крови), однако в 1966 году вернулся в Национальный институт здоровья. 75

Георгий Антонович Гамов • Георгий Антонович Гамов (1904 -1968) - Физик ТЕОРЕТИК БОЛЬШОГО ВЗРЫВА • Американский физик, астрофизик, член Национальной АН (с 1953 г. ). Род. в Одессе. Образование получил в Новороссийском (Одесском) (1922— 1923 гг. ) и Ленинградском (1923— 1928 гг. ) ун-тах. В 1928— 1931 гг. проходил стажировку в Геттингенском, Копенгагенском и Кембриджском ун-тах. В 1931— 1933 гг. работал в Ленинградском физико-техническом ин-те. С 1934 г. работал в США, в 1934 — 1956 гг. — профессор физики ун-та им. Дж. Вашингтона, с 1956 г. — ун-та в Колорадо. • В марте 1932 года Георгий Гамов становится членом-корреспондентом АН СССР, самым молодым в ее истории. СССР зовут страной убийц и хамов. Недаром. Вот пример: советский парень Гамов. Чего хотите вы от этаких людей? ! Уже до атомов добрался, лиходей! 76