Juhtiv teadusajakiri Loodus teatas teise geneetilise koodi - omamoodi "koodi koodi sees" - avastamisest, mille molekulaarbioloogid ja arvutiprogrammeerijad hiljuti lahti murdsid. Pealegi ei kasutanud nad selle paljastamiseks mitte evolutsiooniteooriat, vaid infotehnoloogiat.

Uus kood mida nimetatakse splaissikoodiks. See asub DNA-s. See kood kontrollib aluseks olevat geneetilist koodi väga keerulisel, kuid prognoositaval viisil. Splaissimiskood kontrollib, kuidas ja millal geenid ja reguleerivad elemendid kokku pannakse. Selle koodi paljastamine koodi sees aitab heita valgust mõnele pikaajalisele geneetika saladusele, mis on päevavalgele tulnud pärast inimgenoomi täieliku järjestamise projekti. Üks selline mõistatus oli, miks nii keerulises organismis kui inimene on ainult 20 000 geeni? (Teadlased loodavad leida palju rohkem.) Miks jagatakse geenid segmentideks (eksoniteks), mis on eraldatud mittekodeerivate elementide (intronidega) ja seejärel pärast transkriptsiooni omavahel ühendatud (st splaissitud)? Ja miks on mõnes rakkudes ja kudedes geenid sisse lülitatud, teistes mitte? Kaks aastakümmet molekulaarbioloogid püüdis selgitada geneetilise regulatsiooni mehhanisme. See artikkel osutab väga oluline punkt mõista, mis tegelikult toimub. See ei vasta igale küsimusele, kuid näitab, et sisemine kood on olemas. See kood on sidesüsteem, mida saab nii selgelt dešifreerida, et teadlased suudaksid seletamatu täpsusega ennustada, kuidas genoom teatud olukordades käituda võib.

Kujutage ette, et kuulete kõrvalruumis orkestrit. Avad ukse, vaatad sisse ja näed ruumis kolme-nelja pillimängijat. Koodi murda aidanud Brandon Frey sõnul näeb inimese genoom välja just selline. Ta ütleb: "Me suutsime tuvastada ainult 20 000 geeni, kuid teadsime, et need moodustavad tohutul hulgal valguprodukte ja reguleerivaid elemente. Kuidas? Ühte meetodit nimetatakse alternatiivseks splaissimiseks". Erinevad eksonid (geenide osad) võivad koguneda erinevatel viisidel. "Näiteks võivad neureksiini valgu kolm geeni luua üle 3000 geneetilise sõnumi, mis aitavad kontrollida aju juhtmestiku süsteemi." Frey ütleb. Sealsamas artiklis öeldakse, et teadlased teavad, et 95% meie geenidest on alternatiivse splaissimisega ja enamikul juhtudel ekspresseeritakse transkripte (transkriptsioonist tulenevaid RNA molekule) erinevat tüüpi rakkudes ja kudedes erinevalt. Peab olema midagi, mis kontrollib, kuidas need tuhanded kombinatsioonid kokku pannakse ja väljendatakse. See on splaissikoodi ülesanne.

Lugejad, kes soovivad leiust kiiret ülevaadet saada, saavad artiklit lugeda aadressil Teaduse päevalehtõigustatud "Teadlased, kes murdsid lahti splaissikoodi", selgitavad lahti bioloogilise keerukuse saladuse.". Artiklis öeldakse: "Toronto ülikooli teadlased on omandanud põhimõttelise uue arusaama sellest, kuidas elusrakud kasutavad piiratud arvu geene, et moodustada uskumatult keerulisi organeid nagu aju.". Ajakiri Nature ise algab Heidi Ledfordi teosega "Code Within Code". Sellele järgnes Tejedori ja Valcarceli artikkel "Geeniregulatsioon: teise geneetilise koodi murdmine". Lõpuks sai otsustavaks Toronto ülikooli teadlaste rühma Benjamin D. Blencoe ja Brandon D. Frey juhitud artikkel "Splicing Code Deciphering the Splaising Code".

See artikkel on infoteaduse võit, mis tuletab meelde Teise maailmasõja koodimurdjaid. Nende meetodid hõlmasid algebrat, geomeetriat, tõenäosusteooriat, vektorarvutust, teabeteooriat, programmikoodi optimeerimist ja muid täiustatud tehnikaid. Mida nad ei vajanud, oli evolutsiooniteooria , mida pole kunagi teadusartiklites mainitud. Seda artiklit lugedes näete, kui suure pinge all on selle avamängu autorid:

"Me kirjeldame" splaissimise koodi" skeemi, mis kasutab sadade RNA omaduste kombinatsioone, et ennustada kudede vahendatud muutusi tuhandete eksonite alternatiivsel splaissimisel. Kood loob uued splaissimismustrite klassid, tunneb ära erinevad regulatiivsed programmid erinevates kudedes ja loob mutatsiooniga juhitavad regulatsioonijärjestused. Oleme avastanud laialdaselt kasutatavad regulatiivsed strateegiad, sealhulgas: ootamatult suurte kinnisvarakogumite kasutamine; madala eksoni inklusioonitaseme tuvastamine, mida nõrgestavad spetsiifiliste kudede omadused; omaduste avaldumine intronites on sügavam, kui seni arvati; ja splaissingu variandi tasemete moduleerimine transkripti struktuursete omadustega. Kood aitas luua eksonite klassi, mille kaasamine summutab ekspressiooni täiskasvanud kudedes, aktiveerides mRNA lagunemist ja mille väljajätmine soodustab ekspressiooni embrüogeneesi ajal. Kood hõlbustab alternatiivse splaissimise genoomi hõlmavate reguleeritud sündmuste avalikustamist ja üksikasjalikku kirjeldamist.

Koodi murdnud meeskonda kuulusid elektroonikaosakonna spetsialistid ja arvutiteadus, samuti molekulaargeneetika osakonnast. (Frey ise töötab ettevõttes Microsoft Research, mis on Microsoft Corporationi üksus) Nagu mineviku dekoodrid, arendasid Frey ja Barash "uus arvutipõhine bioloogiline analüüs, mis tuvastab genoomis peidetud "koodisõnad". Molekulaargeneetikute loodud tohutu hulga andmete abil viis teadlaste rühm läbi splaissimiskoodi "pöördprojekteerimise". kuni nad suutsid ennustada, kuidas ta käitub. Kui teadlased sellest aru said, testisid nad mutatsioonide koodi ja nägid, kuidas eksoneid sisestati või eemaldati. Nad leidsid, et kood võib isegi põhjustada koespetsiifilisi muutusi või toimida erinevalt sõltuvalt sellest, kas tegemist oli täiskasvanud hiire või embrüoga. Üks geen, Xpo4, on seotud vähiga; Teadlased märkisid: "Need andmed toetavad järeldust, et Xpo4 geeniekspressiooni tuleb rangelt kontrollida, et vältida võimalikke kahjulikke mõjusid, sealhulgas onkogeneesi (vähk), kuna see on aktiivne embrüogeneesi ajal, kuid väheneb täiskasvanud kudedes. Selgub, et nad olid täiesti üllatunud kontrolli tasemest, mida nad nägid. Tahtlikult või mitte, aga Frey ei kasutanud vihjena juhuslikku varieerumist ja valikut, vaid intelligentse disaini keelt. Ta märkis: "Keerulise bioloogilise süsteemi mõistmine on nagu keeruka elektroonilise vooluringi mõistmine."

Heidi Ledford ütles, et Watson-Cricki geneetilise koodi näiline lihtsus koos selle nelja aluse, kolmikkoodoni, 20 aminohappe ja 64 DNA "tähemärgiga" peidab endas tervet keerulist maailma. Selle sees vangistatud lihtne kood Splaissimiskood on palju keerulisem.

Kuid DNA ja valkude vahel asub RNA, eraldiseisev keerukuse maailm. RNA on transformaator, mis mõnikord kannab geneetilisi sõnumeid ja mõnikord juhib neid, kasutades samal ajal paljusid struktuure, mis võivad selle funktsiooni mõjutada. Samas numbris avaldatud artiklis teatas Kanada Ontarios asuva Toronto ülikooli teadlaste meeskond Benjamin D. Blencowi ja Brandon D. Frey juhtimisel katsetest lahti harutada teist geneetilist koodi, mis suudab ennustada sõnumitooja RNA segmendid. teatud geenidest transkribeeritud võivad seguneda ja sobitada, et moodustada erinevates kudedes mitmesuguseid tooteid. Seda protsessi nimetatakse alternatiivseks splaissimiseks. Seekord pole lihtsat tabelit – selle asemel on algoritmid, mis ühendavad enam kui 200 erinevat DNA omadust RNA struktuuri definitsioonidega.

Nende teadlaste töö viitab kiirele edusammule, mida arvutusmeetodid on RNA modelleerimisel teinud. Lisaks alternatiivse splaissimise mõistmisele aitab arvutiteadus teadlastel ennustada RNA struktuure ja tuvastada RNA väikseid reguleerivaid fragmente, mis valke ei kodeeri. "See on imeline aeg", ütleb Cambridge'i Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi arvutibioloog Christopher Berg. "Tulevikus on meil tohutu edu".

Arvutiteadus, arvutibioloogia, algoritmid ja koodid ei kuulunud Darwini sõnavarasse, kui ta oma teooriat arendas. Mendelil oli väga lihtsustatud mudel, kuidas tunnused pärimise ajal jagunevad. Lisaks võeti idee, et funktsioonid on kodeeritud, alles 1953. aastal. Näeme, et algset geneetilist koodi reguleerib selles sisalduv veelgi keerulisem kood. Need on revolutsioonilised ideed.. Pealegi on kõik märgid, et see kontrollitase ei ole viimane. Ledford tuletab meelde, et näiteks RNA-l ja valkudel on kolmemõõtmeline struktuur. Molekulide funktsioon võib muutuda, kui nende kuju muutub.Peab olema miski, mis voltimist juhib, et kolmemõõtmeline struktuur teeks seda, mida funktsioon nõuab. Lisaks näib, et juurdepääs geenidele on kontrollitud teine ​​kood, histooni kood. Seda koodi kodeerivad molekulaarsed markerid või "sabad" histooni valkudel, mis toimivad DNA kerimise ja superkerimise keskustena. Kirjeldades meie aega, räägib Ledford "püsiv renessanss RNC informaatikas".

Tejedor ja Valcarcel nõustuvad, et lihtsuse taga on keerukus. "Teoorias tundub kõik väga lihtne: DNA moodustab RNA, mis seejärel loob valgu", - alustavad nad oma artiklit. "Kuid tegelikkus on palju keerulisem.". 1950. aastatel saime teada, et kõigil elusorganismidel, alates bakteritest kuni inimesteni, on põhiline geneetiline kood. Kuid peagi mõistsime, et keerukatel organismidel (eukarüootidel) on ebaloomulik ja raskesti mõistetav omadus: nende genoomidel on omapärased lõigud, intronid, mis tuleb eemaldada, et eksonid saaksid omavahel ühineda. Miks? Täna udu selgineb "Selle mehhanismi peamine eelis on see, et see võimaldab erinevad rakud valida alternatiivsed viisid messenger-RNA prekursori (pre-mRNA) splaissimiseks ja seega moodustab üks geen erinevaid sõnumeid”, nad selgitavad, "ja siis saavad kodeerida erinevad mRNA-d erinevad valgud Koos erinevaid funktsioone» . Vähemast koodist saate rohkem teavet, kui koodi sees on see teine ​​kood, mis teab, kuidas seda teha.

Splaissimiskoodi purustamise teeb nii keeruliseks see, et eksonite kokkupanekut kontrollivad tegurid on määratud paljude teiste teguritega: eksonipiiride lähedal olevad järjestused, intronijärjestused ja regulatiivsed tegurid, mis splaissimise mehhanismi kas aitavad või pärsivad. Pealegi, "teatud järjestuse või teguri mõju võib varieeruda sõltuvalt selle asukohast intron-eksoni piiride või muude reguleerivate motiivide suhtes", - selgitavad Tejedor ja Valcarcel. "Seetõttu väljakutseid pakkuv ülesanne koespetsiifilise splaissimise ennustamine on arvukate motiivide algebra ja neid ära tundvate regulatiivsete tegurite vaheliste seoste arvutamine..

Selle probleemi lahendamiseks sisestas teadlaste meeskond arvutisse tohutul hulgal andmeid RNA järjestuste ja nende moodustamise tingimuste kohta. "Seejärel anti arvutile ülesanne tuvastada omaduste kombinatsioon, mis selgitaks kõige paremini eksperimentaalselt kindlaks tehtud koespetsiifilise eksoni valikut.". Teisisõnu, teadlased pöördprojekteerisid koodi. Nagu II maailmasõja koodimurdjad, saavad teadlased algoritmi teada saades teha ennustusi: "See tuvastas õigesti ja täpselt alternatiivsed eksonid ja ennustas nende erinevat reguleerimist koetüüpide paaride vahel." Ja nagu iga hea teaduslik teooria, andis see avastus uusi teadmisi: "See võimaldas meil uuesti selgitada varem kehtestatud regulatiivseid motiive ja osutas teadaolevate regulaatorite varem tundmatutele omadustele, samuti ootamatutele funktsionaalsetele suhetele nende vahel.", märkisid teadlased. "Näiteks viitab kood sellele, et töödeldud valkudeni viivate eksonite kaasamine on üldine mehhanism geeniekspressiooni protsessi juhtimiseks embrüonaalsest koest täiskasvanud koesse üleminekul.".

Tejedor ja Valcarcel kaaluvad oma artikli avaldamist oluline kõigepealt samm: "Tööd... on parem vaadelda kui palju suurema Rosetta kivi esimese fragmendi avastamist, mis on vajalik meie genoomi alternatiivsete sõnumite dešifreerimiseks." Nende teadlaste sõnul parandavad tulevased uuringud kahtlemata nende teadmisi selle uue koodi kohta. Oma artikli lõpus mainivad nad evolutsiooni möödaminnes ja teevad seda väga ebatavalisel viisil. Nad ütlevad: "See ei tähenda, et evolutsioon lõi need koodid. See tähendab, et edusammud nõuavad koodide koostoime mõistmist. Teine üllatus oli see, et seni täheldatud kaitseaste tõstatab küsimuse "liigispetsiifiliste koodide" võimaliku olemasolu kohta..

Kood töötab tõenäoliselt igas rakus ja peab seetõttu vastutama rohkem kui 200 tüüpi imetajarakkude eest. Samuti peab see hakkama saama paljude alternatiivsete splaissimisskeemidega, rääkimata lihtsaid lahendusiühe eksoni kaasamise või vahelejätmise kohta. Alternatiivse splaissimise regulatsiooni piiratud evolutsiooniline säilitamine (hinnanguliselt umbes 20% inimeste ja hiirte vahel) tõstatab küsimuse liigispetsiifiliste koodide olemasolu kohta. Veelgi enam, seos DNA töötlemise ja geeni transkriptsiooni vahel mõjutab alternatiivset splaissimist ning hiljutised tõendid viitavad DNA pakkimisele histooni valkude ja histooni kovalentsete modifikatsioonide (nn epigeneetilise koodi) poolt splaissimise reguleerimisel. Seetõttu peavad tulevased meetodid kindlaks määrama histooni koodi ja splaissimiskoodi vahelise täpse interaktsiooni. Sama kehtib keeruliste RNA struktuuride endiselt vähe mõistetava mõju kohta alternatiivsele splaissimisele.

Koodid, koodid ja muud koodid. Asjaolu, et teadlased ei räägi neis paberites darvinismi kohta peaaegu mitte midagi, näitab, et evolutsiooniteoreetikutel, vanade ideede ja traditsioonide järgijatel, on pärast nende paberite lugemist palju mõtlemisainet. Kuid need, kes on koodide bioloogiast entusiastlikud, on esirinnas. Neil on suurepärane võimalus kasutada ära põnevat veebirakendust, mille koodimurdjad on loonud, et julgustada edasist uurimist. Selle leiate Toronto ülikooli veebisaidilt "Alternative Splicing Prediction Website". Külastajad ootavad siin asjata evolutsiooni mainimist, hoolimata vanast aksioomist, et ilma selleta pole bioloogias midagi mõtet. Uus versioon see 2010. aasta väljend võib kõlada järgmiselt: "Miski bioloogias pole mõtet, kui seda ei vaadelda arvutiteaduse valguses" .

Lingid ja märkmed

Meil on hea meel, et saime teile sellest loost avaldamise päeval rääkida. Võib-olla on see aasta üks olulisemaid teadusartikleid. (Muidugi on iga teiste teadlaste rühmade tehtud suur avastus, nagu Watsoni ja Cricki avastus, märkimisväärne.) Ainus, mida saame selle peale öelda, on: "Vau!" See avastus on tähelepanuväärne kinnitus kavandatud loomisest ja tohutu väljakutse Darwini impeeriumile. Huvitav, kuidas evolutsionistid püüavad nende uute andmete valguses korrigeerida oma 19. sajandil leiutatud juhuslike mutatsioonide ja loodusliku valiku lihtsustatud ajalugu.

Kas saate aru, millest Tejedor ja Valcarcel räägivad? Vaadetel võib olla nende vaadete jaoks oma kood. "Seetõttu peavad tulevased meetodid kindlaks määrama histooni [epigeneetilise] koodi ja splaissimiskoodi vahelise täpse interaktsiooni, " märgivad nad. Tõlkes tähendab see: „Darvinistidel pole sellega midagi pistmist. Nad lihtsalt ei saa sellega hakkama." Kui Watson-Cricki lihtne geneetiline kood oli darvinistide jaoks probleem, siis mida nad nüüd ütlevad splaissimiskoodi kohta, mis loob samadest geenidest tuhandeid ärakirju? Ja kuidas nad saavad hakkama epigeneetilise koodiga, mis kontrollib geeniekspressiooni? Ja kes teab, võib-olla on selles uskumatus "suhtluses", mida me alles hakkame tundma, kaasatud teised koodid, mis meenutavad Rosetta kivi, mis alles hakkavad liiva seest välja tulema?

Nüüd, kui me mõtleme koodidele ja arvutiteadusele, hakkame mõtlema uute uuringute erinevate paradigmade peale. Mis siis, kui genoom toimib osaliselt salvestusvõrguna? Mis siis, kui selles toimub krüptograafia või pakkimisalgoritmid? Peaksime meeles pidama kaasaegseid infosüsteeme ja infosalvestustehnoloogiaid. Võib-olla leiame isegi steganograafia elemente. Kahtlemata on täiendavaid resistentsuse mehhanisme, nagu dubleerimine ja parandused, mis võivad aidata pseudogeenide olemasolu selgitada. Terve genoomi kopeerimine võib olla vastus stressile. Mõned neist nähtustest võivad olla kasulikud näitajad ajaloolised sündmused, millel pole midagi pistmist universaalse ühise esivanemaga, kuid mis aitavad uurida võrdlevat genoomikat informaatikas ja resistentsuse kujundamises ning aitavad mõista haiguse põhjuseid.

Evolutsionistid satuvad suuresse kitsikusse. Teadlased püüdsid koodi muuta, kuid said ainult vähi ja mutatsioonid. Kuidas nad kavatsevad liikuda fitnessi valdkonnas, kui see kõik on kaetud katastroofidega, mis ootavad tiibadesse niipea, kui keegi hakkab neid lahutamatult seotud koode rikkuma? Teame, et seal on sisseehitatud vastupidavus ja kaasaskantavus, kuid tervikpilt on uskumatult keeruline, disainitud, optimeeritud infosüsteem, mitte tükkide segadus, mida saab lõputult mängida. Kogu koodi idee on intelligentse disaini kontseptsioon.

A.E. Wilder-Smith rõhutas seda. Koodeks eeldab kokkulepet kahe osa vahel. Kokkulepe on eelnev kokkulepe. See eeldab planeerimist ja eesmärki. SOS-sümbolit, nagu Wilder-Smith ütleks, kasutame kokkuleppeliselt hädasignaalina. SOS ei tundu katastroofina. See ei lõhna katastroofi järele. See ei tundu katastroofina. Inimesed ei saaks aru, et need kirjad tähistavad katastroofi, kui nad ei mõistaks lepingu enda olemust. Samamoodi ei näe, lõhna ega tunne alaniini koodon HCC. Koodonil poleks alaniiniga midagi pistmist, välja arvatud juhul, kui kahe kodeerimissüsteemi (valgu kood ja DNA kood) vahel oleks eelnevalt kokku lepitud kokkulepe, et "GCC peaks tähistama alaniini". Selle kokkuleppe edastamiseks kasutatakse muundurite perekonda, aminoatsüül-tRNA süntetaase, mis tõlgivad ühe koodi teiseks.

See pidi tugevdama disainiteooriat 1950. aastatel ja paljud kreatsionistid kuulutasid seda tõhusalt. Aga evolutsionistid on nagu sõnaosad müügimehed. Nad mõtlesid välja oma jutud Tinker Belli haldjast, kes dešifreerib koodi ja loob mutatsiooni ja valiku kaudu uusi liike ning veensid paljusid inimesi, et imesid võib juhtuda ka tänapäeval. Noh, täna on 21. sajand akna taga ja me teame epigeneetilist koodi ja splaissikoodi – kahte koodi, mis on palju keerulisemad ja dünaamilisemad kui DNA lihtne kood. Me teame koodide sees olevaid koode, koodide kohal olevaid ja allpool olevaid koode – me teame tervet koodide hierarhiat. Seekord ei saa evolutsionistid lihtsalt näppu püssi sisse pista ja meid omadega bluffida ilusad kõned kui relvad asetatakse mõlemale poole - terve arsenal, mis on suunatud nende peamistele konstruktsioonielementidele. Kõik see on mäng. Nende ümber on kasvanud terve arvutiteaduse ajastu, nad on ammu moest läinud ja näevad välja nagu kreeklased, kes üritavad odadega moodsate tankide ja helikopterite otsa ronida.

Kurb tunnistada, et evolutsionistid ei saa sellest aru või isegi kui saavad, ei kavatse nad alla anda. Muide, sel nädalal, just siis, kui ilmus artikkel splaissikoodeksist, on Darwini-meelsete ajakirjade ja ajalehtede lehekülgedelt voolanud viimaste mälestuste kõige tigedam ja vihkam loomevastane ja intelligentse disaini retoorika. Meil on veel palju selliseid näiteid kuulda. Ja seni, kuni nad hoiavad mikrofone käes ja kontrollivad institutsioone, armuvad paljud inimesed nendesse, arvates, et teadus annab neile jätkuvalt hea põhjuse. Me räägime teile seda kõike selleks, et te loeksite seda materjali, uuriksite seda, mõistaksite seda ja koguksite teavet, mida vajate, et võidelda selle fanaatilise, eksitava jama tõega. Nüüd mine edasi!

Paremal on Varna (Bulgaaria) rannas inimestest ehitatud suurim inimese DNA spiraal, mis kanti 23. aprillil 2016 Guinnessi rekordite raamatusse.

Desoksüribonukleiinhape. Üldine informatsioon

DNA (desoksüribonukleiinhape) on omamoodi eluplaan, keeruline kood, mis sisaldab andmeid päriliku teabe kohta. See keeruline makromolekul on võimeline salvestama ja edastama põlvest põlve pärilikku geneetilist teavet. DNA määrab iga elusorganismi sellised omadused nagu pärilikkus ja muutlikkus. Sellesse kodeeritud teave määrab iga elusorganismi kogu arenguprogrammi. Geneetiliselt põimitud tegurid määravad ette nii inimese kui ka mis tahes muu organismi kogu elukäigu. Väliskeskkonna kunstlik või loomulik mõju võib ainult vähesel määral mõjutada üksikute geneetiliste tunnuste üldist raskusastet või mõjutada programmeeritud protsesside arengut.

Desoksüribonukleiinhape(DNA) on makromolekul (üks kolmest põhilisest, ülejäänud kaks on RNA ja valgud), mis tagab talletamise, põlvest põlve edasikandmise ja elusorganismide arengu ja funktsioneerimise geneetilise programmi rakendamise. DNA sisaldab teavet struktuuri kohta mitmesugused RNA ja valgud.

Eukarüootsetes rakkudes (loomad, taimed ja seened) leidub DNA-d raku tuumas kromosoomide osana, aga ka mõnes raku organellides (mitokondrid ja plastiidid). Prokarüootsete organismide (bakterid ja arheed) rakkudes on seestpoolt kinnitunud ümmargune või lineaarne DNA molekul, nn nukleoid. rakumembraan. Neil ja madalamatel eukarüootidel (näiteks pärmil) on ka väikesed autonoomsed, enamasti ringikujulised DNA molekulid, mida nimetatakse plasmiidideks.

Keemilisest vaatenurgast on DNA pikk polümeerne molekul, mis koosneb korduvatest plokkidest – nukleotiididest. Iga nukleotiid koosneb lämmastiku alusest, suhkrust (desoksüriboos) ja fosfaatrühmast. Nukleotiidide vahelised sidemed ahelas moodustuvad desoksüriboosist ( KOOS) ja fosfaat ( F) rühmad (fosfodiestersidemed).

Riis. 2. Nukletiid koosneb lämmastiku alusest, suhkrust (desoksüriboos) ja fosfaatrühmast

Valdav enamus juhtudest (välja arvatud mõned üheahelalist DNA-d sisaldavad viirused) koosneb DNA makromolekul kahest ahelast, mis on üksteise suhtes orienteeritud lämmastikualuste abil. See kaheahelaline molekul on keerdunud heeliksiks.

DNA-s leidub nelja tüüpi lämmastiku aluseid (adeniin, guaniin, tümiin ja tsütosiin). Ühe ahela lämmastikualused on ühendatud teise ahela lämmastikualustega vesiniksidemetega vastavalt komplementaarsuse põhimõttele: adeniin ühineb ainult tümiiniga ( A-T), guaniin – ainult tsütosiiniga ( G-C). Just need paarid moodustavad DNA spiraalse "redeli" "redeli" (vt. joon. 2, 3 ja 4).

Riis. 2. Lämmastikku sisaldavad alused

Nukleotiidide järjestus võimaldab "kodeerida" teavet erinevat tüüpi RNA kohta, millest olulisemad on informatiivne ehk matriitsi (mRNA), ribosomaalne (rRNA) ja transport (tRNA). Kõik need RNA tüübid sünteesitakse DNA matriitsil, kopeerides DNA järjestuse transkriptsiooni käigus sünteesitud RNA järjestusse ja osalevad valkude biosünteesis (tõlkeprotsess). Lisaks kodeerivatele järjestustele sisaldab raku DNA järjestusi, mis täidavad regulatoorseid ja struktuurseid funktsioone.

Riis. 3. DNA replikatsioon

Põhikombinatsioonide asukoht keemilised ühendid DNA ja nende kombinatsioonide vahelised kvantitatiivsed seosed tagavad päriliku teabe kodeerimise.

Haridus uus DNA (replikatsioon)

1. Replikatsiooniprotsess: DNA kaksikheeliksi lahtikerimine - komplementaarsete ahelate süntees DNA polümeraasi abil - kahe DNA molekuli moodustumine ühest.
2. Topeltheeliks "lahtineb" kaheks haruks, kui ensüümid lõhuvad sideme keemiliste ühendite aluspaaride vahel.
3. Iga haru on uus DNA element. Uued aluspaarid ühendatakse samas järjestuses nagu emaharus.

Dubleerimise lõppedes moodustuvad kaks sõltumatut heeliksit, mis tekivad algse DNA keemilistest ühenditest ja millel on sellega sama geneetiline kood. Sel viisil suudab DNA infot rakust rakku rebida.

Täpsem info:

NULEIINHAPPETE STRUKTUUR

Riis. 4 . Lämmastikku sisaldavad alused: adeniin, guaniin, tsütosiin, tümiin

Desoksüribonukleiinhape(DNA) viitab nukleiinhapetele. Nukleiinhapped on ebaregulaarsete biopolümeeride klass, mille monomeerideks on nukleotiidid.

NUKLEOTIIDID koosneb lämmastikalus, mis on ühendatud viie süsiniku süsivesikuga (pentoos) - desoksüriboos(DNA puhul) või riboos(RNA puhul), mis ühineb fosforhappe jäägiga (H 2 PO 3 -).

Lämmastikku sisaldavad alused Neid on kahte tüüpi: pürimidiini alused - uratsiil (ainult RNA-s), tsütosiin ja tümiin, puriini alused - adeniin ja guaniin.

Riis. Joonis 5. Nukleotiidide struktuur (vasakul), nukleotiidi asukoht DNA-s (all) ja lämmastiku aluste tüübid (paremal): pürimidiin ja puriin

Süsinikuaatomid pentoosi molekulis on nummerdatud 1 kuni 5. Fosfaat ühineb kolmanda ja viienda süsinikuaatomiga. Nii on nukleiinhapped omavahel seotud, moodustades nukleiinhapete ahela. Seega saame eraldada DNA ahela 3' ja 5' otsad:

Riis. 6. DNA ahela 3' ja 5' otste eraldamine

Moodustuvad kaks DNA ahelat kaksikheeliks. Need spiraalis olevad ketid on orienteeritud vastassuundades. DNA erinevates ahelates on lämmastikku sisaldavad alused omavahel seotud vesiniksidemed. Adeniin ühineb alati tümiiniga ja tsütosiin alati guaniiniga. Seda nimetatakse komplementaarsuse reegel(cm. täiendavuse põhimõte).

Täiendavuse reegel:

A-T G-C

Näiteks kui meile antakse DNA ahel, millel on järjestus

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

siis teine ​​ahel täiendab seda ja on suunatud vastupidises suunas - 5'-otsast 3'-otsani:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Riis. 7. DNA molekuli ahelate suund ja lämmastikaluste ühendamine vesiniksidemete abil

DNA REPLIKATSIOON

DNA replikatsioon on DNA molekuli dubleerimise protsess maatriksi süntees. Enamikul juhtudel toimub DNA loomulik replikatsioonkruntvärvDNA süntees on lühike jupp (loodud uuesti). Sellise ribonukleotiidpraimeri loob ensüüm primaas (DNA primaas prokarüootides, DNA polümeraas eukarüootides) ja seejärel asendatakse desoksüribonukleotiidpolümeraasiga, mis tavaliselt täidab parandusfunktsioone (korrigeerib keemilisi kahjustusi ja katkestusi DNA molekulis).

Replikatsioon toimub poolkonservatiivsel viisil. See tähendab, et DNA kaksikheeliks keerdub lahti ja igal selle ahelal valmib uus ahel vastavalt komplementaarsuse põhimõttele. Tütar-DNA molekul sisaldab seega ühte lähtemolekuli ahelat ja ühte äsja sünteesitud ahelat. Replikatsioon toimub lähteahela 3' kuni 5' suunas.

Riis. 8. DNA molekuli replikatsioon (kahekordistumine).

DNA süntees- see pole nii keeruline protsess, kui esmapilgul võib tunduda. Kui järele mõelda, siis kõigepealt tuleb välja mõelda, mis on süntees. See on millegi kokkuviimise protsess. Uue DNA molekuli moodustumine toimub mitmes etapis:

1) DNA topoisomeraas, mis asub replikatsioonikahvli ees, lõikab DNA ära, et hõlbustada selle lahti- ja lahtikerimist.
2) DNA helikaas mõjutab topoisomeraasi järel DNA heeliksi "lahtikeeramise" protsessi.
3) DNA-d siduvad valgud seovad DNA ahelaid, samuti stabiliseerivad neid, vältides nende kleepumist üksteise külge.
4) DNA polümeraas δ(delta) , mis on kooskõlastatud replikatsioonikahvli liikumiskiirusega, teostab sünteesijuhtivketid tütarettevõte DNA maatriksil 5" → 3" suunas emalik DNA ahelad suunas selle 3" otsast 5" otsani (kiirus kuni 100 aluspaari sekundis). Need sündmused sellel teemal emalik DNA ahelad on piiratud.

Riis. 9. DNA replikatsiooniprotsessi skemaatiline esitus: (1) mahajäänud ahel (lagahel), (2) juhtiv ahel (juhtahel), (3) DNA polümeraas α (Polα), (4) DNA ligaas, (5) RNA -praimer, (6) primaas, (7) Okazaki fragment, (8) DNA polümeraas δ (Polδ ), (9) helikaas, (10) üheahelalised DNA-d siduvad valgud, (11) topoisomeraas.

Mahajäänud tütar-DNA ahela sünteesi kirjeldatakse allpool (vt allpool). skeem replikatsioonikahvel ja replikatsiooniensüümide funktsioon)

DNA replikatsiooni kohta lisateabe saamiseks vt

5) Vahetult pärast lähtemolekuli teise ahela lahtikerimist ja stabiliseerimist liitub seeDNA polümeraas α(alfa)ja suunas 5 "→3" sünteesib praimerit (RNA praimer) - RNA järjestust DNA matriitsil pikkusega 10 kuni 200 nukleotiidi. Pärast seda ensüümeemaldatud DNA ahelast.

Selle asemel DNA polümeraasα kinnitatud krundi 3-tollise otsa külge DNA polümeraasε .

6) DNA polümeraasε (epsilon) justkui jätkab kruntvärvi pikendamist, kuid substraadina kinnitubdesoksüribonukleotiidid(150-200 nukleotiidi ulatuses). Selle tulemusena moodustub kahest osast kindel niit -RNA(st kruntvärv) ja DNA. DNA polümeraas εtöötab seni, kuni kohtab eelmise aabitsatfragment Okazaki(sünteesitud veidi varem). Seejärel eemaldatakse see ensüüm ahelast.

7) DNA polümeraas β(beeta) on asemelDNA polümeraasid ε,liigub samas suunas (5" → 3") ja eemaldab praimerribonukleotiidid, sisestades samal ajal nende asemele desoksüribonukleotiidid. Ensüüm toimib kuni praimeri täieliku eemaldamiseni, s.o. kuni desoksüribonukleotiidini (isegi varem sünteesitudDNA polümeraas ε). Ensüüm ei suuda oma töö tulemust ja ees olevat DNA-d siduda, mistõttu ta lahkub ahelast.

Selle tulemusena "lemab" emalõnga maatriksil tütar-DNA fragment. Seda nimetatakseOkazaki fragment.

8) DNA ligaas ligeerib kaks kõrvuti asetsevat fragmendid Okazaki , st. 5 "segmendi lõpp, sünteesitudDNA polümeraas ε,ja 3" keti ots sisseehitatudDNA polümeraasβ .

RNA STRUKTUUR

Ribonukleiinhape(RNA) on üks kolmest peamisest makromolekulist (ülejäänud kaks on DNA ja valgud), mida leidub kõigi elusorganismide rakkudes.

Nii nagu DNA, koosneb RNA pikast ahelast, milles iga lüli nimetatakse nukleotiid. Iga nukleotiid koosneb lämmastiku alusest, riboossuhkrust ja fosfaatrühmast. Kuid erinevalt DNA-st on RNA-l tavaliselt üks, mitte kaks ahelat. Pentoosi RNA-s esindab riboos, mitte desoksüriboos (riboosi teisel süsivesikute aatomil on täiendav hüdroksüülrühm). Lõpuks erineb DNA RNA-st lämmastikualuste koostise poolest: tümiini asemel ( T) uratsiil esineb RNA-s ( U) , mis on samuti täiendav adeniiniga.

Nukleotiidide järjestus võimaldab RNA-l kodeerida geneetilist teavet. Kõik rakulised organismid kasutavad valgusünteesi programmeerimiseks RNA-d (mRNA).

Rakulised RNA-d moodustuvad protsessis, mida nimetatakse transkriptsioon st RNA süntees DNA matriitsil, mida teostavad spetsiaalsed ensüümid - RNA polümeraasid.

Messenger RNA-d (mRNA-d) osalevad seejärel protsessis, mida nimetatakse saade, need. valkude süntees mRNA matriitsil ribosoomide osalusel. Teised RNA-d pärast transkriptsiooni läbivad keemilised modifikatsioonid, ja pärast sekundaarsete ja tertsiaarsete struktuuride moodustumist täidavad nad funktsioone, mis sõltuvad RNA tüübist.

Riis. 10. Erinevus DNA ja RNA vahel lämmastikaluse poolest: tümiini (T) asemel sisaldab RNA uratsiili (U), mis on samuti komplementaarne adeniiniga.

TRANSKRIPTSIOON

See on RNA sünteesi protsess DNA matriitsil. DNA rullub ühes kohas lahti. Üks ahelatest sisaldab informatsiooni, mis tuleb RNA molekulile kopeerida – seda ahelat nimetatakse kodeerimiseks. DNA teist ahelat, mis on komplementaarne kodeeriva ahelaga, nimetatakse matriitsi ahelaks. Transkriptsiooni protsessis matriitsi ahelal 3'-5' suunas (mööda DNA ahelat) sünteesitakse sellega komplementaarne RNA ahel. Seega luuakse kodeeriva ahela RNA koopia.

Riis. 11. Transkriptsiooni skemaatiline esitus

Näiteks kui meile antakse kodeeriva ahela järjestus

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

siis vastavalt komplementaarsuse reeglile kannab maatriksahel järjestust

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

ja sellest sünteesitud RNA on järjestus

SAATE

Mõelge mehhanismile valkude süntees RNA maatriksil, samuti geneetiline kood ja selle omadused. Selguse huvides soovitame alloleval lingil vaadata ka lühikest videot elusrakus toimuvate transkriptsiooni- ja translatsiooniprotsesside kohta:

Riis. 12. Valgu sünteesi protsess: DNA kodeerib RNA-d, RNA kodeerib valku

GENEETILINE KOOD

Geneetiline kood- meetod valkude aminohappejärjestuse kodeerimiseks, kasutades nukleotiidide järjestust. Iga aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus – koodon või triplett.

Geneetiline kood, mis on ühine enamikule pro- ja eukarüootidele. Tabelis on loetletud kõik 64 koodonit ja vastavad aminohapped. Alusjärjestus on mRNA 5" kuni 3" otsast.

Tabel 1. Standardne geneetiline kood

1 alus ei	2. alus								3 alus ei
	U		C		A		G
U	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	U G U	(Cys/C)	U
	U U C		U C C		U A C		U G C		C
	U U A	(Leu/L)	U C A		U A A	Peata koodon**	U G A	Peata koodon**	A
	U U G		U C G		U A G	Peata koodon**	U G G	(Trp/W)	G
C	C U U		C C U	(Pro/P)	C A U	(Tema/H)	C G U	(Arg/R)	U
	C U C		C C C		C A C		C G C		C
	C U A		C C A		C A A	(Gln/Q)	CGA		A
	C U G		C C G		C A G		C G G		G
A	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	U
	A U C		A C C		A A C		A G C		C
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	A G A		A
	A U G	(Met/M)	A C G		A A G		A G G		G
G	G U U	(Val/V)	G C U	(Ala/A)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	U
	G U C		G C C		G A C		G G C		C
	G U A		G C A		G A A	(Glu/E)	G G A		A
	G U G		G C G		G A G		G G G		G

Kolmikute hulgas on 4 spetsiaalset jada, mis toimivad "kirjavahemärkidena":

• *Kolmik AUG, mis kodeerib ka metioniini, nimetatakse alguskoodon. See koodon alustab valgu molekuli sünteesi. Seega on valgusünteesi ajal järjestuse esimene aminohape alati metioniin.

• **Kolmikud UAA, UAG Ja UGA helistas stoppkoodonid ja ei kodeeri ühtegi aminohapet. Nende järjestuste korral valkude süntees peatub.

Geneetilise koodi omadused

1. Kolmik. Iga aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus – triplett või koodon.

2. Järjepidevus. Kolmikute vahel ei ole täiendavaid nukleotiide, infot loetakse pidevalt.

3. Mittekattuvus. Üks nukleotiid ei saa olla samaaegselt kahe kolmiku osa.

4. Unikaalsus. Üks koodon võib kodeerida ainult ühte aminohapet.

5. Degeneratsioon. Ühte aminohapet võib kodeerida mitu erinevat koodonit.

6. Mitmekülgsus. Geneetiline kood on kõigil elusorganismidel sama.

Näide. Meile antakse kodeeriva ahela järjestus:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Maatriksahelal on järgmine järjestus:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Nüüd "sünteesime" sellest ahelast informatsioonilise RNA:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Valgu süntees läheb suunas 5' → 3', seetõttu peame geneetilise koodi "lugemiseks" järjestuse ümber pöörama:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Nüüd leidke stardikoodon AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Jaga jada kolmikuteks:

kõlab nii: DNA-st saadav teave kantakse RNA-sse (transkriptsioon), RNA-st valgusse (tõlge). DNA-d saab dubleerida ka replikatsiooni teel ja võimalik on ka pöördtranskriptsiooni protsess, kui DNA sünteesitakse RNA matriitsist, kuid selline protsess on iseloomulik peamiselt viirustele.

Riis. 13. keskne dogma molekulaarbioloogia

GENOM: GEENID JA KROMOSOOMID

(üldmõisted)

Genoom – organismi kõigi geenide kogum; selle täielik kromosoomikomplekt.

Termini "genoom" pakkus välja G. Winkler 1920. aastal, et kirjeldada sama bioloogilise liigi organismide haploidses kromosoomide komplektis sisalduvate geenide kogumit. Selle mõiste algne tähendus viitas sellele, et erinevalt genotüübist on genoomi mõiste liigi kui terviku, mitte üksikisiku geneetiline tunnus. Molekulaargeneetika arenguga on selle mõiste tähendus muutunud. On teada, et DNA, mis on kandja geneetiline teave enamikus organismides ja on seetõttu genoomi aluseks, ei hõlma mitte ainult geene selle sõna tänapäevases tähenduses. Suurem osa eukarüootsete rakkude DNA-st on esindatud mittekodeerivate ("liigsete") nukleotiidjärjestustega, mis ei sisalda teavet valkude ja nukleiinhapete kohta. Seega moodustab mis tahes organismi genoomi põhiosa selle haploidse kromosoomikomplekti kogu DNA.

Geenid on DNA molekulide segmendid, mis kodeerivad polüpeptiide ja RNA molekule.

Viimase sajandi jooksul on meie arusaam geenidest oluliselt muutunud. Varem oli genoom kromosoomi piirkond, mis kodeerib või määrab ühte tunnust või fenotüüpne(nähtav) omadus, näiteks silmade värv.

1940. aastal pakkusid George Beadle ja Edward Tatham välja geeni molekulaarse määratluse. Teadlased töötlesid seente eoseid Neurospora crassa röntgenikiirgus ja muud ained, mis põhjustavad muutusi DNA järjestuses ( mutatsioonid) ja leidis seene mutantseid tüvesid, mis kaotasid mõned spetsiifilised ensüümid, mis mõnel juhul põhjustas kogu metaboolne rada. Beadle ja Tatham jõudsid järeldusele, et geen on geneetilise materjali osa, mis määratleb või kodeerib ühte ensüümi. Selline on hüpotees "üks geen, üks ensüüm". Seda mõistet laiendati hiljem määratlusele "üks geen - üks polüpeptiid", kuna paljud geenid kodeerivad valke, mis ei ole ensüümid, ja polüpeptiid võib olla kompleksse valgukompleksi subühik.

Joonisel fig. 14 on diagramm selle kohta, kuidas DNA kolmikud määravad polüpeptiidi, valgu aminohappejärjestuse, mida vahendab mRNA. Üks DNA ahelatest mängib mRNA sünteesi matriitsi rolli, mille nukleotiidkolmikud (koodonid) on komplementaarsed DNA kolmikutega. Mõnes bakteris ja paljudes eukarüootides katkestavad kodeerivad järjestused mittekodeerivate piirkondadega (nn. intronid).

Geeni kaasaegne biokeemiline määratlus veelgi konkreetsemalt. Geenid on kõik DNA lõigud, mis kodeerivad lõppsaaduste primaarset järjestust, sealhulgas polüpeptiide või RNA-d, millel on struktuurne või katalüütiline funktsioon.

Lisaks geenidele sisaldab DNA ka muid järjestusi, mis täidavad eranditult reguleerivat funktsiooni. Reguleerivad järjestused võib tähistada geenide algust või lõppu, mõjutada transkriptsiooni või näidata replikatsiooni või rekombinatsiooni alguskohta. Mõnda geeni saab ekspresseerida erineval viisil, kusjuures sama DNA tükk toimib mallina erinevate toodete moodustamisel.

Saame umbkaudu arvutada minimaalne geeni suurus kodeerivad vahepealset valku. Iga polüpeptiidahela aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus; nende kolmikute (koodonite) järjestused vastavad antud geeni poolt kodeeritud polüpeptiidi aminohapete ahelale. 350 aminohappejäägist koosnev polüpeptiidahel (keskmise pikkusega ahel) vastab 1050 aluspaari pikkusele järjestusele. ( bp). Paljud eukarüootsed geenid ja mõned prokarüootsed geenid on aga katkenud DNA segmentidega, mis valgu kohta informatsiooni ei kanna ja osutuvad seetõttu palju pikemaks, kui lihtne arvutus näitab.

Mitu geeni on ühes kromosoomis?

Riis. 15. Vaade kromosoomidest prokarüootsetes (vasakul) ja eukarüootsetes rakkudes. Histoonid on lai klass tuumavalke, mis täidavad kahte põhifunktsiooni: nad osalevad DNA ahelate pakendamisel tuumas ja tuumaprotsesside, nagu transkriptsioon, replikatsioon ja parandamine, epigeneetilises reguleerimises.

Prokarüootide DNA on lihtsam: nende rakkudel puudub tuum, mistõttu DNA asub otse tsütoplasmas nukleoidi kujul.

Nagu teada, bakterirakud neil on kromosoom DNA ahela kujul, mis on pakitud kompaktsesse struktuuri - nukleoidi. prokarüootne kromosoom Escherichia coli, mille genoom on täielikult dekodeeritud, on ringikujuline DNA molekul (tegelikult pole see tavaline ring, vaid pigem silmus ilma alguse ja lõputa), mis koosneb 4 639 675 aluspaarist. See järjestus sisaldab ligikaudu 4300 valgu geeni ja veel 157 geeni stabiilsete RNA molekulide jaoks. IN inimese genoom ligikaudu 3,1 miljardit aluspaari, mis vastavad peaaegu 29 000 geenile, mis asuvad 24 erinevas kromosoomis.

Prokarüootid (bakterid).

Bakter E. coli on üks kaheahelaline tsirkulaarne DNA molekul. See koosneb 4 639 675 b.p. ja ulatub ligikaudu 1,7 mm pikkuseks, mis ületab raku enda pikkuse E. coli umbes 850 korda. Lisaks nukleoidi osaks olevale suurele ringikujulisele kromosoomile sisaldavad paljud bakterid ühte või mitut väikest ringikujulist DNA molekuli, mis paiknevad vabalt tsütosoolis. Neid kromosoomiväliseid elemente nimetatakse plasmiidid(joonis 16).

Enamik plasmiide ​​koosneb vaid mõnest tuhandest aluspaarist, mõned sisaldavad rohkem kui 10 000 aluspaari. Nad kannavad geneetilist teavet ja paljunevad, moodustades tütarplasmiide, mis sisenevad tütarrakkudesse vanemraku jagunemise ajal. Plasmiide ​​ei leidu mitte ainult bakterites, vaid ka pärmis ja teistes seentes. Paljudel juhtudel ei paku plasmiidid peremeesrakkudele eeliseid ja nende ainus ülesanne on iseseisvalt paljuneda. Mõned plasmiidid kannavad siiski peremeesorganismile kasulikke geene. Näiteks võivad plasmiidides sisalduvad geenid anda bakterirakkudes resistentsuse antibakteriaalsete ainete suhtes. β-laktamaasi geeni kandvad plasmiidid annavad resistentsuse β-laktaamantibiootikumide, nagu penitsilliin ja amoksitsilliin, suhtes. Plasmiidid võivad üle minna antibiootikumiresistentsetest rakkudest teistesse sama või erineva bakteriliigi rakkudesse, põhjustades ka nende rakkude resistentsuse muutumist. Antibiootikumide intensiivne kasutamine on võimas selektiivne tegur, mis soodustab antibiootikumiresistentsust kodeerivate plasmiidide (nagu ka sarnaseid geene kodeerivate transposoonide) levikut patogeensete bakterite seas ning viib mitme antibiootikumi suhtes resistentsete bakteritüvede tekkeni. Arstid hakkavad mõistma antibiootikumide laialdase kasutamise ohtusid ja määravad neid ainult äärmisel vajadusel. Sarnastel põhjustel on antibiootikumide laialdane kasutamine põllumajandusloomade ravis piiratud.

Vaata ka: Ravin N.V., Shestakov S.V. Prokarüootide genoom // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. Nr 4/2. lk 972-984.

Eukarüootid.

Tabel 2. Mõnede organismide DNA, geenid ja kromosoomid

	jagatud DNA, b.s.	Kromosoomide arv*	Ligikaudne geenide arv
Escherichia coli(bakter)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae(pärm)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(nematood)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana(taim)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster(puuviljakärbes)	120 367 260		20 000
Oryza sativa(riis)	480 000 000		57 000
Mus lihas(hiir)	2 634 266 500		27 000
Homo sapiens(Inimene)	3 070 128 600		29 000

Märge. Infot uuendatakse pidevalt; Ajakohase teabe saamiseks vaadake üksikute genoomiprojektide veebisaite.

* Kõigi eukarüootide jaoks, välja arvatud pärm, on antud kromosoomide diploidne komplekt. diploidne komplekt kromosoomid (kreeka keelest diploos - double ja eidos - vaade) - kahekordne kromosoomide komplekt(2n), millest igaühel on homoloogia iseendaga.
**Haploidne komplekt. Metsikutel pärmi tüvedel on tavaliselt kaheksa (oktaploidne) või enam nende kromosoomide komplekti.
***Kahe X-kromosoomiga naistele. Meestel on X-kromosoom, kuid mitte Y-kromosoomi, st ainult 11 kromosoomi.

Pärmirakus, mis on üks väiksemaid eukarüoote, sisaldab 2,6 korda rohkem DNA-d kui rakus E. coli(Tabel 2). puuviljakärbse rakud Drosophila, klassikaline geeniuuringute objekt, sisaldab 35 korda rohkem DNA-d ja inimese rakud sisaldavad umbes 700 korda rohkem DNA-d kui rakud E. coli. Paljud taimed ja kahepaiksed sisaldavad veelgi rohkem DNA-d. Eukarüootsete rakkude geneetiline materjal on organiseeritud kromosoomide kujul. Diploidne kromosoomide komplekt (2 n) oleneb organismi tüübist (tabel 2).

Näiteks inimese somaatilises rakus on 46 kromosoomi ( riis. 17). Iga kromosoom eukarüootses rakus, nagu on näidatud joonisel fig. 17, A, sisaldab ühte väga suurt kaheahelalist DNA molekuli. Inimese 24 kromosoomi (22 paariskromosoomi ja kaks sugukromosoomi X ja Y) erinevad pikkuse poolest enam kui 25 korda. Iga eukarüootne kromosoom sisaldab kindlat geenide komplekti.

Riis. 17. eukarüootsed kromosoomid.A- paar ühendatud ja kondenseerunud sõsarkromatiide inimese kromosoomist. Sellisel kujul jäävad eukarüootsed kromosoomid pärast replikatsiooni ja metafaasi mitoosi ajal. b- täielik kromosoomide komplekt ühe raamatu autori leukotsüütidest. Iga normaalne inimese somaatiline rakk sisaldab 46 kromosoomi.

DNA kui päriliku materjali säilitamise ja edasikandmise maatriksi suurus ja funktsioon selgitab spetsiaalsete struktuurielementide olemasolu selle molekuli organisatsioonis. Kõrgemates organismides jaotub DNA kromosoomide vahel.

Organismi DNA (kromosoomide) kogumit nimetatakse genoomiks. Kromosoomid paiknevad raku tuumas ja moodustavad struktuuri, mida nimetatakse kromatiiniks. Kromatiin on DNA ja aluseliste valkude (histoonide) kompleks vahekorras 1:1. DNA pikkust mõõdetakse tavaliselt komplementaarsete nukleotiidide paaride arvuga (bp). Näiteks inimese 3. kromosoomsajandil on DNA molekul, mille suurus on 160 miljonit aluspaari. selle pikkus on ligikaudu 1 mm, seega oleks inimese 3. kromosoomi lineariseeritud molekul 5 mm pikk ja kõigi 23 haploidi kromosoomi (~ 3 * 10 9 aluspaari, MR = 1,8 * 10 12) DNA rakk - munarakk või seemnerakk - lineariseeritud kujul oleks 1 m. Kui sugurakud välja arvata, sisaldavad kõik inimkeha rakud (neid on umbes 1013) kahekordset kromosoomikomplekti. Rakkude jagunemise ajal replitseeruvad kõik 46 DNA molekuli ja reorganiseeritakse 46 kromosoomiks.

Kui DNA molekulid on omavahel ühendatud inimese genoom(22 kromosoomi ja kromosoomi X ja Y või X ja X), saate umbes ühe meetri pikkuse jada. Märkus. Kõigil imetajatel ja muudel heterogameetilistel isasorganismidel on emastel kaks X-kromosoomi (XX) ja isastel üks X-kromosoom ja üks Y-kromosoom (XY).

Enamik inimese rakke, seega on selliste rakkude DNA kogupikkus umbes 2 m. Täiskasvanud inimesel on umbes 10 14 rakku, seega on kõigi DNA molekulide kogupikkus 2・10 11 km. Võrdluseks, Maa ümbermõõt on 4…10 4 km ja kaugus Maast Päikeseni on 1,5…10 8 km. Nii on meie rakkudes hämmastavalt kompaktselt pakitud DNA!

Eukarüootsetes rakkudes on ka teisi DNA-d sisaldavaid organelle - need on mitokondrid ja kloroplastid. Mitokondriaalse ja kloroplasti DNA päritolu kohta on esitatud palju hüpoteese. Tänapäeval on üldtunnustatud seisukoht, et need on iidsete bakterite kromosoomide alged, mis tungisid peremeesrakkude tsütoplasmasse ja said nende organellide eelkäijateks. Mitokondriaalne DNA kodeerib mitokondriaalset tRNA-d ja rRNA-d, samuti mitmeid mitokondriaalseid valke. Rohkem kui 95% mitokondriaalsetest valkudest on kodeeritud tuuma DNA poolt.

GEENIDE STRUKTUUR

Vaatleme geeni struktuuri prokarüootides ja eukarüootides, nende sarnasusi ja erinevusi. Vaatamata sellele, et geen on DNA osa, mis kodeerib ainult ühte valku või RNA-d, sisaldab see lisaks otseselt kodeerivale osale ka regulatiivseid jm. konstruktsioonielemendid, millel on prokarüootides ja eukarüootides erinev struktuur.

kodeeriv järjestus- geeni peamine struktuurne ja funktsionaalne üksus, just selles kodeerivad nukleotiidide kolmikudaminohappejärjestus. See algab alguskoodoniga ja lõpeb stoppkoodoniga.

Enne ja pärast kodeerimisjärjestust on transleerimata 5' ja 3' järjestused. Nad täidavad reguleerivaid ja abifunktsioone, näiteks tagavad ribosoomi maandumise mRNA-le.

Transleerimata ja kodeerivad järjestused moodustavad transkriptsiooniühiku – transkribeeritud DNA piirkonna, st DNA piirkonna, millest sünteesitakse mRNA.

Terminaator DNA transkribeerimata piirkond geeni lõpus, kus RNA süntees peatub.

Geeni alguses on reguleeriv valdkond, mis sisaldab promootor Ja operaator.

promootor- järjestus, millega polümeraas seondub transkriptsiooni initsiatsiooni ajal. Operaator- see on piirkond, millega võivad seonduda spetsiaalsed valgud - repressorid, mis võib sellest geenist RNA sünteesi aktiivsust vähendada – teisisõnu vähendada väljendus.

Prokarüootide geenide struktuur

Prokarüootide ja eukarüootide geenide ehituse üldplaan ei erine – mõlemad sisaldavad regulatoorset piirkonda promootori ja operaatoriga, kodeerivate ja mittetransleeritavate järjestustega transkriptsiooniüksust ning terminaatorit. Kuid geenide organiseeritus prokarüootides ja eukarüootides on erinev.

Riis. 18. Prokarüootide (bakterite) geeni struktuuri skeem -pilt on suurendatud

Operoni alguses ja lõpus on mitme struktuurigeeni jaoks ühised regulatsioonipiirkonnad. Operoni transkribeeritud piirkonnast loetakse üks mRNA molekul, mis sisaldab mitmeid kodeerivaid järjestusi, millest igaühel on oma algus- ja lõppkoodon. Igast neist piirkondadestsünteesitakse üks valk. Seega Ühest i-RNA molekulist sünteesitakse mitu valgumolekuli.

Prokarüoote iseloomustab mitme geeni ühendamine üheks funktsionaalseks üksuseks - operon. Operoni tööd saavad reguleerida teised geenid, mida saab operonist endast märgatavalt eemaldada - regulaatorid. Sellest geenist tõlgitud valku nimetatakse repressor. See seostub operoni operaatoriga, reguleerides korraga kõigi selles sisalduvate geenide ekspressiooni.

See nähtus iseloomustab ka prokarüoote transkriptsioon ja tõlkekonjugatsioonid.

Riis. 19 Transkriptsiooni ja translatsiooni konjugatsiooni nähtus prokarüootides - pilt on suurendatud

Seda paaritumist eukarüootides ei esine tuumamembraani olemasolu tõttu, mis eraldab tsütoplasma, kus toimub translatsioon, geneetilisest materjalist, millel toimub transkriptsioon. Prokarüootides saab RNA sünteesi ajal DNA matriitsil ribosoom koheselt seonduda sünteesitud RNA molekuliga. Seega algab tõlkimine isegi enne transkriptsiooni lõppu. Veelgi enam, mitu ribosoomi võivad üheaegselt seonduda ühe RNA molekuliga, sünteesides korraga mitu ühe valgu molekuli.

Geenide struktuur eukarüootides

Eukarüootide geenid ja kromosoomid on väga keeruliselt organiseeritud.

Paljude liikide bakteritel on ainult üks kromosoom ja peaaegu kõigil juhtudel on igas kromosoomis iga geeni üks koopia. Vaid mõned geenid, näiteks rRNA geenid, sisalduvad mitmes koopias. Geenid ja regulatoorsed järjestused moodustavad peaaegu kogu prokarüootide genoomi. Veelgi enam, peaaegu iga geen vastab rangelt aminohappejärjestusele (või RNA järjestusele), mida see kodeerib (joonis 14).

Struktuursed ja funktsionaalne organisatsioon eukarüootsed geenid on palju keerulisemad. Eukarüootsete kromosoomide uurimine ja hilisem sekveneerimine täielikud jadad eukarüootsed genoomid tõid palju üllatusi. Paljudel, kui mitte enamikul eukarüootsetel geenidel on huvitav omadus: nende nukleotiidjärjestused sisaldavad ühte või mitut DNA piirkonda, mis ei kodeeri polüpeptiidsaaduse aminohappejärjestust. Sellised transleerimata insertid katkestavad otsese vastavuse geeni nukleotiidjärjestuse ja kodeeritud polüpeptiidi aminohappejärjestuse vahel. Neid geenide tõlkimata segmente nimetatakse intronid, või sisseehitatud järjestused, ja kodeerimissegmendid on eksonid. Prokarüootides sisaldavad introneid vaid mõned geenid.

Nii et eukarüootides geenide kombinatsiooni operoniteks praktiliselt pole ja eukarüootse geeni kodeeriv järjestus jaguneb enamasti transleeritud piirkondadeks. - eksonid, ja tõlkimata jaotised - intronid.

Enamasti ei ole intronite funktsioon kindlaks tehtud. Üldiselt on ainult umbes 1,5% inimese DNA-st "kodeeriv", see tähendab, et see kannab teavet valkude või RNA kohta. Võttes aga arvesse suuri introneid, selgub, et 30% inimese DNA-st koosneb geenidest. Kuna geenid moodustavad suhteliselt väikese osa inimese genoomist, jääb märkimisväärne kogus DNA-d arvestamata.

Riis. 16. Eukarüootide geeni struktuuri skeem - pilt on suurendatud

Igast geenist sünteesitakse esmalt ebaküps ehk pre-RNA, mis sisaldab nii introneid kui ka eksoneid.

Pärast seda toimub splaissimise protsess, mille tulemusena lõigatakse välja intronipiirkonnad ja moodustub küps mRNA, millest saab sünteesida valku.

Riis. 20. Alternatiivne splaissimisprotsess - pilt on suurendatud

Selline geenide organiseeritus võimaldab näiteks seda, kui ühest geenist saab sünteesida valgu erinevaid vorme, tulenevalt sellest, et eksonid võivad splaissimise käigus sulandada erinevatesse järjestustesse.

Riis. 21. Prokarüootide ja eukarüootide geenide ehituse erinevused - pilt on suurendatud

MUTATSIOONID JA MUTAGEES

mutatsioon nimetatakse genotüübi püsivaks muutuseks, st nukleotiidjärjestuse muutuseks.

Protsessi, mis viib mutatsioonini, nimetatakse mutagenees ja organism Kõik mille rakud kannavad sama mutatsiooni mutant.

mutatsiooniteooria esmakordselt sõnastas Hugh de Vries 1903. aastal. Selle kaasaegne versioon sisaldab järgmisi sätteid:

1. Mutatsioonid tekivad äkki, järsult.

2. Mutatsioonid antakse edasi põlvest põlve.

3. Mutatsioonid võivad olla kasulikud, kahjulikud või neutraalsed, domineerivad või retsessiivsed.

4. Mutatsioonide tuvastamise tõenäosus sõltub uuritud isendite arvust.

5. Sarnased mutatsioonid võivad esineda korduvalt.

6. Mutatsioonid ei ole suunatud.

Mutatsioonid võivad olla põhjustatud erinevaid tegureid. Eristada mutatsioone, mis on põhjustatud mutageenne mõjusid: füüsikalised (nt ultraviolettkiirgus või kiirgus), keemilised (nt kolhitsiin või reaktiivsed hapniku liigid) ja bioloogilised (nt viirused). Samuti võivad tekkida mutatsioonid replikatsiooni vead.

Sõltuvalt ilmnemise tingimustest jagunevad mutatsioonid spontaanne- see tähendab mutatsioone, mis on tekkinud aastal normaalsetes tingimustes, Ja indutseeritud- see tähendab eritingimustel tekkinud mutatsioone.

Mutatsioonid võivad tekkida mitte ainult tuuma DNA-s, vaid ka näiteks mitokondrite või plastiidide DNA-s. Vastavalt sellele saame eristada tuumaenergia Ja tsütoplasmaatiline mutatsioonid.

Mutatsioonide esinemise tulemusena võivad sageli tekkida uued alleelid. Kui mutantne alleel alistab normaalse alleeli, nimetatakse mutatsiooniks domineeriv. Kui normaalne alleel surub alla muteerunud alleeli, nimetatakse mutatsiooniks retsessiivne. Enamik mutatsioone, mis tekitavad uusi alleele, on retsessiivsed.

Mutatsioone eristatakse efekti järgi kohanemisvõimeline, mis suurendab organismi kohanemisvõimet keskkonnaga, neutraalne mis ei mõjuta ellujäämist kahjulikud mis vähendavad organismide kohanemisvõimet keskkonnatingimustega ja surmav mis põhjustab organismi surma varases arengujärgus.

Vastavalt tagajärgedele eristatakse mutatsioone, mis viivad valgu funktsiooni kaotus, mutatsioonid, mis põhjustavad tekkimine valgul on uus funktsioon, samuti mutatsioonid, mis muuta geeni annust, ja vastavalt sellest sünteesitud valgu annus.

Mutatsioon võib tekkida igas keharakus. Kui sugurakus toimub mutatsioon, nimetatakse seda idune(germinaalne või generatiivne). Sellised mutatsioonid ei ilmne organismis, milles nad ilmnesid, vaid viivad mutantide ilmnemiseni järglastes ja on päritavad, seega on need geneetika ja evolutsiooni seisukohalt olulised. Kui mutatsioon toimub mõnes teises rakus, nimetatakse seda somaatiline. Selline mutatsioon võib teatud määral avalduda organismis, milles see tekkis, näiteks viia vähkkasvajate tekkeni. Selline mutatsioon ei ole aga päritav ega mõjuta järglasi.

Mutatsioonid võivad mõjutada erineva suurusega genoomi osi. Eraldada geneetiline, kromosomaalne Ja genoomne mutatsioonid.

Geenimutatsioonid

Nimetatakse mutatsioone, mis esinevad ühest geenist väiksemal skaalal geneetiline, või täpiline (täpiline). Sellised mutatsioonid põhjustavad järjestuse ühe või mitme nukleotiidi muutumist. Geenimutatsioonid hõlmavadasendused, mis viib ühe nukleotiidi asendamiseni teisega,kustutamised mis viib ühe nukleotiidi kadumiseni,sisestusi, mis viib järjestusele täiendava nukleotiidi lisamiseni.

Riis. 23. Geeni (punkt) mutatsioonid

Vastavalt valgu toimemehhanismile jagunevad geenimutatsioonid:sünonüüm, mis (geneetilise koodi degeneratsiooni tulemusena) ei too kaasa valguprodukti aminohappelise koostise muutumist,missense mutatsioonid, mis põhjustavad ühe aminohappe asendamise teisega ja võivad mõjutada sünteesitud valgu struktuuri, kuigi sageli on need ebaolulised,mõttetud mutatsioonid, mis viib kodeeriva koodoni asendamiseni stoppkoodoniga,mutatsioonid, mis põhjustavad splaissimise häire:

Riis. 24. Mutatsiooniskeemid

Samuti eraldatakse vastavalt valgu toimemehhanismile mutatsioonid, mis põhjustavad raami nihe näidud nagu sisestused ja kustutamised. Sellised mutatsioonid, nagu nonsenssmutatsioonid, kuigi need esinevad geeni ühes punktis, mõjutavad sageli kogu valgu struktuuri, mis võib viia selle struktuuri täieliku muutumiseni. kui kromosoomi segment pöörleb 180 kraadi Riis. 28. Translokatsioon

Riis. 29. Kromosoom enne ja pärast dubleerimist

Genoomsed mutatsioonid

Lõpuks genoomsed mutatsioonid mõjutada kogu genoomi, st kromosoomide arv muutub. Eristatakse polüploidsust - raku ploidsuse suurenemist ja aneuploidsust, st kromosoomide arvu muutust, näiteks trisoomiat (täiendava homoloogi olemasolu ühes kromosoomis) ja monosoomiat (kromosoomide puudumine). homoloog kromosoomis).

DNA-ga seotud video

DNA REPLIKATSIOON, RNA kodeerimine, VALGU SÜNTEES

(Kui videot ei kuvata, on see saadaval

Peatükk KASUTAMINE: 2.6. Geneetiline teave rakus. Geenid, geneetiline kood ja selle omadused. Biosünteetiliste reaktsioonide maatriks olemus. Valkude ja nukleiinhapete biosüntees

Maal elab üle 6 miljardi inimese. Kui välja arvata 25-30 miljonit paari identseid kaksikuid, siis geneetiliselt on kõik inimesed erinevad. See tähendab, et igaüks neist on ainulaadne, unikaalsete pärilike omaduste, iseloomuomaduste, võimete, temperamendi ja paljude muude omadustega. Mis määrab sellised inimestevahelised erinevused? Muidugi erinevused nendes genotüübid , st. geenide kogum organismis. Iga inimene on ainulaadne, nagu ka üksiku looma või taime genotüüp. Kuid antud inimese geneetilised omadused avalduvad tema kehas sünteesitud valkudes. Järelikult erineb ühe inimese valgu struktuur, kuigi üsna pisut, teise inimese valgu struktuurist. Seetõttu tekib elundite siirdamise probleem, seetõttu tekivad allergilised reaktsioonid toiduainetele, putukahammustused, taimede õietolm jne. See ei tähenda, et inimestel poleks täpselt samad valgud. Valgud, mis täidavad samu funktsioone, võivad üksteisest ühe või kahe aminohappe võrra ühesugused või väga vähe erineda. Kuid Maal pole inimesi (välja arvatud identsed kaksikud), kellel kõik valgud oleksid ühesugused.

Teave valgu primaarstruktuuri kohta on kodeeritud nukleotiidide järjestusena DNA molekuli piirkonnas – geenis. Gene on organismi päriliku informatsiooni ühik. Iga DNA molekul sisaldab palju geene. Organismi kõigi geenide kogum moodustab selle genotüüp.

Pärilik teave on kodeeritud kasutades geneetiline kood . Kood sarnaneb tuntud morsekoodiga, mis kodeerib teavet punktide ja sidekriipsudega. Morsekood on universaalne kõigile raadiooperaatoritele ja erinevused on ainult signaalide tõlkimisel erinevaid keeli. Geneetiline kood on samuti universaalne kõikide organismide jaoks ja erineb vaid nukleotiidide vaheldumise poolest, mis moodustavad konkreetsete organismide geene ja kodeerivad valke.

Geneetilise koodi omadused : kolmik, spetsiifilisus, universaalsus, liiasus ja mittekattuvus.

Mis on siis geneetiline kood? Esialgu koosneb see kolmikutest ( kolmikud ) erinevates järjestustes kombineeritud DNA nukleotiidid. Näiteks AAT, HCA, ACH, THC jne. Iga nukleotiidide kolmik kodeerib spetsiifilist aminohapet, mis ehitatakse polüpeptiidahelasse. Nii näiteks kodeerib CHT-triplet aminohapet alaniini ja AAG-triplet kodeerib aminohapet fenüülalaniini. Aminohappeid on 20 ja nelja nukleotiidi kombinatsiooni kolmeliikmelistes rühmades on 64. Seetõttu piisab neljast nukleotiidist 20 aminohappe kodeerimiseks. Seetõttu saab ühte aminohapet kodeerida mitu kolmikut. Mõned kolmikud ei kodeeri üldse aminohappeid, vaid käivitavad või peatavad valkude biosünteesi.

Tegelik geneetiline kood on nukleotiidide järjestus mRNA molekulis, kuna see eemaldab DNA-st teabe ( transkriptsiooniprotsess ) ja muudab selle sünteesitud valkude molekulides aminohapete järjestusteks ( tõlkeprotsess ). mRNA koostis sisaldab ACGU nukleotiide. MRNA nukleotiidi kolmikuid nimetatakse koodoniteks. Juba toodud näited DNA kolmikute kohta mRNA-l näevad välja sellised - mRNA-l olevast CHT-tripletist saab GCA-triplet ja DNA-tripletist - AAG-st UUC-triplet. Just mRNA koodonid peegeldavad kirje geneetilist koodi. Niisiis, geneetiline kood on kolmik, universaalne kõigi maakera organismide jaoks, degenereerunud (iga aminohape on krüpteeritud rohkem kui ühe koodoniga). Geenide vahel on kirjavahemärgid - need on kolmikud, mida nimetatakse stoppkoodonid . Need annavad märku ühe polüpeptiidahela sünteesi lõppemisest. Seal on geneetilise koodi tabelid, mida peate saama kasutada mRNA koodonite dešifreerimiseks ja valgumolekulide ahelate ehitamiseks (sulgudes komplementaarne DNA).

on viis valkude aminohappejärjestuse kodeerimiseks, kasutades DNA molekuli nukleotiidide järjestust, mis on iseloomulik kõigile elusorganismidele.

Geneetilise informatsiooni rakendamine elusrakkudes (st DNA-s kodeeritud valgu süntees) toimub kahe maatriksprotsessi abil: transkriptsioon (st mRNA süntees DNA maatriksil) ja translatsioon (polüpeptiidahela süntees mRNA maatriks).

DNA kasutab nelja nukleotiidi – adeniini (A), guaniini (G), tsütosiini (C), tümiini (T). Need "tähed" moodustavad geneetilise koodi tähestiku. RNA kasutab samu nukleotiide, välja arvatud tümiin, mis on asendatud uratsiiliga (U). DNA- ja RNA-molekulides reastuvad nukleotiidid ahelatesse ja nii saadakse "tähtede" järjestused.

DNA nukleotiidjärjestuses on tulevase valgu molekuli iga aminohappe jaoks kood "sõnad" - geneetiline kood. See koosneb teatud nukleotiidide järjestusest DNA molekulis.

Kolm järjestikust nukleotiidi kodeerivad ühe aminohappe "nime", see tähendab, et iga 20 aminohappest on krüpteeritud olulise koodiühikuga – kolme nukleotiidi kombinatsiooniga, mida nimetatakse tripletiks või koodoniks.

Praeguseks on DNA kood täielikult dešifreeritud ja me saame rääkida teatud omadustest, mis on iseloomulikud sellele ainulaadsele bioloogilisele süsteemile, mis tagab teabe tõlkimise DNA "keelest" valgu "keelde".

Geneetilise informatsiooni kandjaks on DNA, kuid kuna mRNA, ühe DNA ahela koopia, osaleb otseselt valgusünteesis, kirjutatakse geneetiline kood kõige sagedamini "RNA keeles".

Aminohappe	RNA kolmikute kodeerimine
Alaniin	GCU GCC GCA GCG
Arginiin	TsGU TsGTs TsGA TsGG AGA AGG
Asparagiin	AAU AAC
Asparagiinhape	GAU GAC
Valiin	GUU GUTS GUA GUG
Histidiin	CAU CAC
Glütsiin	GSU GGC GGA GYY
Glutamiin	CAA CAG
Glutamiinhape	GAA GAG
Isoleutsiin	AAU AUC AUA
Leutsiin	TSUU TSUT TSUA TSUG UUA UUG
Lüsiin	AAA AAG
Metioniin	AUG
Proliin	CCC CCC CCA CCG
Rahulik	UCU UCC UCA UCG ASU AGC
Türosiin	UAU UAC
Treoniin	ACC ACC ACA ACG
trüptofaan	UGG
Fenüülalaniin	uuu uuc
Tsüsteiin	UGU UHC
STOP	UGA UAG UAA

Geneetilise koodi omadused

Kolm järjestikust nukleotiidi (lämmastikualust) kodeerivad ühe aminohappe "nime", see tähendab, et iga 20 aminohappest on krüpteeritud olulise koodiühikuga - kolme nukleotiidi kombinatsiooniga, mida nimetatakse kolmik või koodon.

Kolmik (koodon)- kolmest nukleotiidist (lämmastikalusest) koosnev järjestus DNA või RNA molekulis, mis määrab teatud aminohappe sattumise valgumolekuli selle sünteesi käigus.

• Ühemõttelisus (diskreetsus)

Üks kolmik ei saa kodeerida kahte erinevat aminohapet; see kodeerib ainult ühte aminohapet. Teatud koodon vastab ainult ühele aminohappele.

Iga aminohapet saab määratleda rohkem kui ühe kolmikuga. Erand - metioniin Ja trüptofaan. Teisisõnu, samale aminohappele võib vastata mitu koodonit.

• mittekattuvad

Sama alus ei saa esineda korraga kahes kõrvutiasetsevas koodonis.

Mõned kolmikud ei kodeeri aminohappeid, vaid on omamoodi "teemärgid", mis määravad üksikute geenide alguse ja lõpu (UAA, UAG, UGA), millest igaüks tähendab sünteesi katkemist ja asub iga geeni lõpus. geen, seega saame rääkida geneetilise koodi polaarsusest.

Loomadel ja taimedes, seentes, bakterites ja viirustes kodeerib sama kolmik sama tüüpi aminohappeid, see tähendab, et geneetiline kood on kõigil elusolenditel sama. Teisisõnu universaalsus - geneetilise koodi võime toimida samamoodi organismides erinevad tasemed keerukus viirustest inimeseni.DNA koodi universaalsus kinnitab p ühtsustkogu meie planeedi elu päritolu. Geenitehnoloogia meetodid põhinevad geneetilise koodi universaalsuse omaduse kasutamisel.

Geneetilise koodi avastamise ajaloost

Esimest korda eksistentsi idee geneetiline kood sõnastas A. Down ja 1952.–1954. Teadlased on näidanud, et nukleotiidjärjestus, mis määrab üheselt konkreetse aminohappe sünteesi, peab sisaldama vähemalt kolme linki. Hiljem tõestati, et selline järjestus koosneb kolmest nukleotiidist, nn koodon või kolmik .

Küsimused, millised nukleotiidid vastutavad teatud aminohappe valgu molekuli inkorporeerimise eest ja kui palju nukleotiidid selle kaasamise määravad, jäid lahendamata kuni 1961. aastani. Teoreetiline analüüs näitas, et kood ei saa koosneda ühest nukleotiidist, kuna sel juhul saab kodeerida ainult 4 aminohapet. Samas ei saa kood olla ka dublett, st kahe nukleotiidi kombinatsioon neljatähelisest "tähestikust" ei saa hõlmata kõiki aminohappeid, kuna teoreetiliselt on võimalikud ainult 16 sellist kombinatsiooni (4 2 = 16).

20 aminohappe kodeerimiseks piisab kolmest järjestikusest nukleotiidist, aga ka "stopp" signaalist, mis tähendab valgujärjestuse lõppu, kui võimalike kombinatsioonide arv on 64 (4 3 = 64).

GENEETILINE KOOD(Kreeka, genetikos viitab päritolule; sün.: kood, bioloogiline kood, aminohappe kood, valgu kood, kood nukleiinhapped ) – süsteem päriliku teabe salvestamiseks loomade, taimede, bakterite ja viiruste nukleiinhappemolekulides nukleotiidide järjestuse vaheldumise teel.

Geneetiline informatsioon (joon.) rakult rakku, põlvest põlve, välja arvatud RNA-d sisaldavad viirused, edastatakse DNA molekulide reduplikatsiooni teel (vt Replikatsioon). DNA päriliku teabe rakendamine raku eluprotsessis toimub kolme tüüpi RNA kaudu: informatiivne (mRNA või mRNA), ribosomaalne (rRNA) ja transport (tRNA), mis sünteesitakse DNA-l nagu maatriksil, kasutades RNA-d. polümeraasi ensüüm. Samal ajal määrab nukleotiidide järjestus DNA molekulis unikaalselt nukleotiidide järjestuse kõigis kolmes RNA tüübis (vt Transkriptsioon). Valgumolekuli kodeeriva geeni (vt) teavet kannab ainult mRNA. Päriliku teabe rakendamise lõpp-produktiks on valgumolekulide süntees, mille spetsiifilisuse määrab nende aminohapete järjestus (vt tõlget).

Kuna DNA või RNA sisaldab ainult 4 erinevat lämmastikku sisaldavad alused[DNA-s - adeniin (A), tümiin (T), guaniin (G), tsütosiin (C); RNA-s - adeniin (A), uratsiil (U), tsütosiin (C), guaniin (G)], mille järjestus määrab valgu 20 aminohappe järjestuse, G. kuni probleem, st. 4-tähelise nukleiinhapete tähestiku tõlkimise probleem 20-täheliseks polüpeptiidide tähestikuks.

Esmakordselt sõnastas N.K. Koltsov 1928. aastal idee valgumolekulide maatriksisünteesist koos hüpoteetilise maatriksi omaduste õige ennustamisega. 1944. aastal tegid Avery jt kindlaks, et DNA molekulid vastutavad ülekande eest. pärilikud tunnused pneumokokkide transformatsiooni ajal. 1948. aastal näitas E. Chargaff, et kõigis DNA molekulides on vastavate nukleotiidide (A-T, G-C) kvantitatiivne võrdsus. 1953. aastal jõudsid F. Crick, J. Watson ja Wilkins (M. H. F. Wilkins) sellele reeglile ja röntgendifraktsioonianalüüsi andmetele (vt.) tuginedes järeldusele, et DNA molekul on kaksikheeliks, mis koosneb kahest polünukleotiidist. ahelad, mis on omavahel seotud vesiniksidemetega. Veelgi enam, ainult T saab paikneda ühe ahela A vastas teises ja ainult C vastu G. See komplementaarsus viib selleni, et ühe ahela nukleotiidjärjestus määrab üheselt teise ahela järjestuse. Teine oluline järeldus, mis sellest mudelist tuleneb, on see, et DNA molekul on võimeline ise paljunema.

1954. aastal sõnastas G. Gamow G. to. probleemi oma kaasaegne vorm. 1957. aastal väljendas F. Crick adapteri hüpoteesi, eeldades, et aminohapped interakteeruvad nukleiinhappega mitte otse, vaid vahendajate (praegu tuntud kui tRNA) kaudu. Järgnevatel aastatel kinnitati eksperimentaalselt kõik geneetilise teabe edastamise üldise skeemi peamised, algselt hüpoteetilised lülid. 1957. aastal avastati mRNA-d [A. S. Spirin, A. N. Belozersky jt; Folkin ja Astrahan (E. Volkin, L. Astrachan)] ja tRNA [Hoagland (M. V. Hoagland)]; 1960. aastal sünteesiti DNA väljaspool rakku, kasutades matriitsina olemasolevaid DNA makromolekule (A. Kornberg) ja avastati DNA-st sõltuv RNA süntees [Weiss (S. V. Weiss) et al.]. 1961. aastal loodi rakuvaba süsteem, milles loodusliku RNA või sünteetiliste polüribonukleotiidide juuresolekul sünteesiti valgutaolisi aineid [M. Nirenberg ja Matthaei (J. H. Matthaei)]. G. to. tunnetuse probleem seisnes koodi üldiste omaduste uurimises ja selle tegelikus dešifreerimises ehk väljaselgitamises, millised nukleotiidide (koodonite) kombinatsioonid teatud aminohappeid kodeerivad.

Koodi üldised omadused selgitati välja sõltumata selle dekodeerimisest ja peamiselt enne seda mutatsioonide tekke molekulaarmustreid analüüsides (F. Crick et al., 1961; N. V. Luchnik, 1963). Nad jõuavad selleni:

1. Kood on universaalne, s.t identne, vähemalt põhiosas, kõigi elusolendite jaoks.

2. Kood on kolmik, see tähendab, et iga aminohapet kodeerib kolmik nukleotiidi.

3. Kood on mittekattuv, st antud nukleotiid ei saa olla osa rohkem kui ühest koodonist.

4. Kood on degenereerunud, see tähendab, et ühte aminohapet saab kodeerida mitu kolmikut.

5. Infot valgu primaarstruktuuri kohta loetakse mRNA-st järjestikku, alustades kindlast punktist.

6. Enamikul võimalikest kolmikutest on "tähendus", st kodeerivad aminohappeid.

7. Koodoni kolmest "tähest" on esmatähtsad vaid kaks (kohustuslik), kolmas (valikuline) kannab aga palju vähem informatsiooni.

Koodi otsene dekodeerimine seisneks struktuurgeenis oleva nukleotiidjärjestuse (või sellel sünteesitud mRNA) võrdlemises vastava valgu aminohappejärjestusega. See viis on aga tehniliselt endiselt võimatu. Kasutati veel kahte võimalust: valkude süntees rakuvabas süsteemis, kasutades maatriksina teadaoleva koostisega kunstlikke polüribonukleotiide ja mutatsioonide moodustumise molekulaarsete mustrite analüüs (vt.). Esimene tõi positiivseid tulemusi juba varem ja mängis ajalooliselt suurt rolli G. to dešifreerimisel.

1961. aastal kasutasid M. Nirenberg ja Mattei maatriksina homopolümeeri - sünteetilist polüuridüülhapet (s.o. tehis-RNA koostisega UUUU ...) ja said polüfenüülalaniini. Sellest järeldub, et fenüülalaniini koodon koosneb mitmest U-st, st kolmikkoodi puhul tähistab see UUU-d. Hiljem hakati koos homopolümeeridega kasutama erinevatest nukleotiididest koosnevaid polüribonukleotiide. Sel juhul oli teada vaid polümeeride koostis, samas kui nukleotiidide paigutus neis oli statistiline ning seetõttu oli tulemuste analüüs statistiline ja andis kaudseid järeldusi. Üsna kiiresti õnnestus kõigi 20 aminohappe jaoks leida vähemalt üks kolmik. Selgus, et orgaaniliste lahustite olemasolu, pH või temperatuuri muutused, mõned katioonid ja eriti antibiootikumid muudavad koodi mitmetähenduslikuks: samad koodonid hakkavad stimuleerima teiste aminohapete kaasamist, mõnel juhul hakkas üks koodon kodeerima kuni nelja. erinevad aminohapped. Streptomütsiin mõjutas teabe lugemist nii rakuvabades süsteemides kui ka in vivo ning oli efektiivne ainult streptomütsiinitundlike bakteritüvede puhul. Streptomütsiinist sõltuvates tüvedes "parandas" ta mutatsiooni tagajärjel muutunud koodonite näitu. Sarnased tulemused andsid põhjust kahelda G. dekodeerimise õigsuses rakuvaba süsteemi abil; kinnitus oli vajalik ja seda peamiselt in vivo andmete põhjal.

Peamised andmed G. to. kohta in vivo saadi valkude aminohappelise koostise analüüsimisel organismides, mida on töödeldud mutageenidega (vt.), millel on teadaolev toimemehhanism, näiteks lämmastikku sisaldav to-one, mis põhjustab C asendamise U ja A autor G. Kasulik informatsioon annab ka analüüsi mittespetsiifiliste mutageenide põhjustatud mutatsioonide kohta, võrreldakse sugulasvalkude primaarstruktuuri erinevusi. erinevad tüübid, korrelatsioon DNA ja valkude koostise vahel jne.

G. dekodeerimine in vivo ja in vitro andmete põhjal andis kokkulangevad tulemused. Hiljem töötati välja veel kolm meetodit koodi dešifreerimiseks rakuvabades süsteemides: aminoatsüül-tRNA (st tRNA koos kinnitatud aktiveeritud aminohappega) sidumine teadaoleva koostisega trinukleotiididega (M. Nirenberg et al., 1965); aminoatsüül-tRNA sidumine polünukleotiididega, mis algavad teatud tripletiga (Mattei et al., 1966), ja polümeeride kasutamine mRNA-na, mille puhul on teada mitte ainult koostis, vaid ka nukleotiidide järjekord (X. Korana et al. ., 1965). Kõik kolm meetodit täiendavad üksteist ja tulemused on kooskõlas in vivo katsetes saadud andmetega.

70ndatel. 20. sajandil olid meetodid G. dekodeerimise tulemuste eriti usaldusväärseks kontrollimiseks. On teada, et proflaviini mõjul tekkivad mutatsioonid seisnevad eraldi nukleotiidide kadumises või sisestamises, mis viib lugemisraami nihkeni. T4 faagis kutsus proflaviin esile mitmeid mutatsioone, mille käigus muutus lüsosüümi koostis. Seda koostist analüüsiti ja võrreldi nende koodonitega, mis oleks pidanud saama lugemisraami nihkega. Seal oli täielik matš. Lisaks võimaldas see meetod kindlaks teha, millised degenereerunud koodi kolmikud kodeerivad iga aminohapet. 1970. aastal õnnestus Adamsil (J. M. Adams) ja tema kaastöötajatel G. to. osaliselt dešifreerida otsese meetodiga: R17 faagis määrati alusjärjestus 57 nukleotiidi pikkuses fragmendis ja võrreldi selle kestavalk. Tulemused olid täielikult kooskõlas vähem otseste meetoditega saadud tulemustega. Seega dešifreeritakse kood täielikult ja õigesti.

Dekodeerimise tulemused on kokku võetud tabelis. See loetleb koodonite ja RNA koostise. tRNA antikoodonite koostis on komplementaarne mRNA koodonitega, st U asemel sisaldavad nad A, A asemel - U, C - G asemel ja G - C asemel ning vastavad struktuurgeeni (see ahela) koodonitele. DNA, mille abil teavet loetakse), ainsa erinevusega on see, et tümiini asendab uratsiil. 64 tripletist, mida saab moodustada 4 nukleotiidi kombinatsiooniga, on 61-l "mõistus", st kodeerivad aminohappeid, ja 3 on "mõttetu" (ilma tähenduseta). Kolmikute koostise ja nende tähenduse vahel on üsna selge seos, mis avastati isegi koodi üldisi omadusi analüüsides. Mõnel juhul iseloomustab spetsiifilist aminohapet (nt proliin, alaniin) kodeerivaid kolmikuid asjaolu, et kaks esimest nukleotiidi (obligaatsed) on samad ja kolmas (valikuline) võib olla ükskõik milline. Muudel juhtudel (näiteks asparagiini, glutamiini kodeerimisel) on kahel sarnasel kolmikul sama tähendus, kus esimesed kaks nukleotiidi langevad kokku ja mis tahes puriin või mis tahes pürimidiin asendab kolmandat.

Nonsensskoodonid, millest 2 omavad erinimesid, mis vastavad faagimutantide tähistusele (UAA-ooker, UAG-amber, UGA-opaal), kuigi nad ei kodeeri ühtegi aminohapet, kuid neil on suur tähtsus informatsiooni lugemisel, kodeerib polüpeptiidahela lõppu.

Infot loetakse suunas 5 1 -> 3 1 - nukleotiidahela lõpuni (vt desoksüribonukleiinhapped). Sel juhul toimub valgusüntees vaba aminorühmaga aminohappest vaba karboksüülrühmaga aminohappeks. Sünteesi algust kodeerivad AUG- ja GUG-tripletid, mis sel juhul sisaldavad spetsiifilist aminoatsüül-tRNA-d, nimelt N-formüülmetionüül-tRNA-d. Samad kolmikud, kui need paiknevad ahelas, kodeerivad vastavalt metioniini ja valiini. Ebaselguse eemaldab see, et lugemise algusele eelneb jama. On tõendeid selle kohta, et piir erinevaid valke kodeerivate mRNA piirkondade vahel koosneb enam kui kahest kolmikust ja nendes kohtades muutub RNA sekundaarne struktuur; see küsimus on uurimisel. Kui nonsensskoodon esineb struktuurgeenis, siis ehitatakse vastav valk ainult selle koodoni asukohani.

Geneetilise koodi avastamine ja dekodeerimine - molekulaarbioloogia silmapaistev saavutus - avaldas mõju kogu bioloogiale, teadustele, mõnel juhul pannes aluse spetsiaalsete suurte sektsioonide väljatöötamisele (vt Molekulaargeneetika). G. avavat mõju ja sellega seotud uuringuid võrreldakse Darwini teooria mõjuga biol, teadustele.

G. to. universaalsus on otsene tõend elu põhiliste molekulaarsete mehhanismide universaalsusest kõigis esindajates. orgaaniline maailm. Samal ajal on suured erinevused geneetilise aparaadi funktsioonides ja selle struktuuris üleminekul prokarüootidelt eukarüootidele ja ainurakselt paljurakulistele ilmselt seotud molekulaarsete erinevustega, mille uurimine on üks tuleviku ülesandeid. Kuna G. to. uurimine on ainult küsimus Viimastel aastatel, on saadud tulemuste tähtsus praktilise meditsiini jaoks vaid kaudne, võimaldades mõista haiguste olemust, patogeenide ja raviainete toimemehhanismi. Selliste nähtuste nagu transformatsioon (vt.), transduktsioon (vt.), allasurumine (vt.) avastamine viitab aga põhimõttelisele võimalusele patoloogiliselt muutunud pärilikku teavet parandada või selle korrigeerimist – nn. geenitehnoloogia (vt).

Tabel. GENEETILINE KOOD

Koodoni esimene nukleotiid	Koodoni teine ​​nukleotiid								Kolmandaks, koodoni nukleotiid
		Fenüülalaniin
						J Jama
								trüptofaan
						Histidiin
						Glutamiinhape
		Isoleutsiin				Asparagiin
		Metioniin
						Asparagiin
						Glutamiin

* Kodeerib keti lõppu.

** Kodeerib ka ahela algust.

Bibliograafia: Ichas M. Bioloogiline kood, tlk. inglise keelest, M., 1971; Archer N.B. Tsütogeneetiliste kahjustuste biofüüsika ja geneetiline kood, L., 1968; Molekulaargeneetika, trans. inglise keelest, toim. A. N. Belozersky, 1. osa, M., 1964; Nukleiinhapped, trans. inglise keelest, toim. A. N. Belozersky, Moskva, 1965. Watson JD Molekulaarbioloogia geen, trans. inglise keelest, M., 1967; Physiological Genetics, toim. M. E. Lobaševa S. G., Inge-Vechtoma-va, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonucleins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v „E. Geissler, B., 1972; Geneetiline kood, Gold Spr. Harb. Sümp. kvant. Biol., v. 31, 1966; W o e s e C. R. Geneetiline kood, N. Y. a. o., 1967.