Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 102
Текст из файла (страница 102)
26: 454 — 457. Сга!д Х.!.. (1996) Тгапзроз!С!оп, ш Ехс!|ет!с1|(а со1| апс! Ба1топейа, рр. 2339 — 2362. %'азЬ!п8Соп, РС: АЯМ Ргем. ОоССеяпап М. (1999) ВасСепорЬа8е 1авЪс)а: СЬе ппСо16 з(огу.,/. Мо1. В|о1. 293: 177 — 180. ОппсПеу Х. Р., ч(гЬ!Сезоп К.1.. й й!се Р.А. (2006) МесЬап!япз о1з!Се-зрес!1!с гесовЬ~па6оп. Аппи.
Век Вюс!|ет. 75: 567 — 605. 'сгагвпз Н. (1988) ПеСгочйгпзея 5с1епсе 240: 1427 — 1435. Х!с)с(ег Р, й К1ес1спег Х. (1999) Мею6с сЬго|позовея !пСедгаС!пд хсгпсспге апс1 (ппсС!оп. Аппи. Век Оепег. ЗЗ: 603 — 754. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку Лишь после открытия структуры ДНК в начале 1950-х гг. стало ясно, что содержащаяся в клетках наследственная информация закодирована в нуклеотидной последовательности ДНК.
С тех пор мы поднялись в понимании этого процесса на поразительную высоту. За эти пятьдесят лет мы узнали полные последовательности геномов многих организмов, в том числе и человека. Следовательно, теперь мы располагаем огромным количеством информации, необходимой для создания сложного организма — наподобие нас с вами. Пределы наследственной информации, необходимой для жизни, ограничивают биохимические и структурные свойства клеток — так что биология сложна отнюдь не до бесконечности. В этой главе мы объясняем, как клетки расшифровывают и используют информацию, заложенную в их геномах.
Многое стало известно о том, как генетические инструкции, записанные алфавитом только из четырех «бук⻠— четырех различных нуклеотидов ДНК, — направляют процесс формирования бактерии, плодовой мушки и человека. Однако нам все еще предстоит немало узнать о том, как информация, сберегаемая в геноме организма, воплощается в самой что ни на есть простейшей одноклеточной бактерии с 500 генами, уже не говоря о том, как она направляет развитие человека с его примерно 25 000 генов. Мы все еще не выбрались из глубин неведения; поэтому следующее поколение молекулярных биологов ожидает множество увлекательных приключений. Проблемы, с которыми сталкиваются клетки при расшифровке геномов, можно оценить, обозрев малую часть генома плодовой мушки Огозорй|1а те1аподаз~ег (рис. 6.1).
Большая часть закодированной в ДНК информации, хранимой в этом и иных геномах, определяет линейный порядок — читай «последовательность»вЂ” аминокислот в каждом белке, производимом в организме. Как было сказано в главе 3, последовательность аминокислот, в свою очередь, предписывает каждому белку модель укладки, чтобы из него вышла молекула специфической формы с неповторимыми химическими характеристиками. Когда клетка синтезирует определенный белок, она должна точно расшифровать соответствующую область генома.
Дополнительная информация, закодированная в ДНК генома, в точности предписывает, в какой момент времени в жизни организма и в клетках какого типа тот или иной ген должен быть экспрессирован в белок. Поскольку белки служат основными составляющими клеток, постольку расшифровка генома определяет не только размер, форму, биохимические свойства и поведение клеток, но также и отличительные особенности всех форм жизни на планете Земля. Глава б. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 507 Разумно было бы предположить, что хранящаяся в геномах информация устроена упорядоченным образом — наподобие словаря или телефонной книги. Однако, хотя геномы некоторых бактерий и кажутся вполне сносно организованными, геномы большинства многоклеточных организмов, хотя бы у представленной нами в качестве примера дрозофилы, на удивление неупорядоченны.
Маленькие крупицы кодирующей ДНК (то есть ДНК, которая кодирует белки) перемежаются протяженными массивами, по-видимому, «бессмысленной» ДНК. Некоторые участки генома несут много генов, а другие совершенно их не содержат. Белки, которые в клетке работают в тесной связи друг с другом, часто кодируются генами, расположенными на разных хромосомах, а соседствующие гены обычно кодируют белки, которые имеют мало общего друг с другом. Поэтому расшифровка геномов отнюдь не простое дело.
Даже при помощи мощных компьютеров исследователям все еще сложно окончательно определить местонахождение начала и конца гена в последовательностях ДНК сложных геномов, а тем более предсказать для каждого гена время его экспрессии в течение жизни данного организма. Хотя последовательность ДНК генома человека известна, вероятно, потребуется по крайней мере десятилетие, чтобы идентифицировать все гены и определить точные аминокислотные последовательности белков, производимых с их помощью.
А клетки в нашем организме делают все это по тысяче раз в секунду! Геномная ДНК не управляет синтезом белка «самолично», а использует для этого РНК в качестве посредника. Когда у клетки возникает надобность в некотором белке, последовательность нуклеотидов соответствуктщей части безмерно длинной молекулы ДНК в хромосоме сначала копируется в РНК (этот процесс называется транскрипцией). Именно эти РНК-копии фрагментов ДНК и служат непосредственными матрицами, направляющими синтез белка (процесс, названный трансляцией).
Поэтому поток генетической информации в клетках направлен от ДНК к РНК и далее — к белку (рис. 6.2). Клетки всех живых организмов — от бактерий до человека — экспрессируют свою генетическую информацию таким образом; и этот фундаментальный принцип назван центральной догмой молекулярной биологии. Несмотря на универсальность центральной догмы, на пути, по которому информация перетекает из ДНК в белки, встречаются разные «развязки». На главной из них в клетках эукариот РНК-транскрипты, прежде чем им будет дозволено выйти из ядра и претерпеть трансляцию в белок, подвергаются серии «обрабатывающих» операций (процессингу), в число которых входит и сплайсинг РНК.
Такой поэтапный процессинг может коренным образом изменить «смысл» молекулы РНК и поэтому крайне важен для понимания механизма считывания геномов в клетках эукариот. Наконец, хотя в этой главе мы сосредоточили внимание на продуцировании белков, н аль на числу нзаестн ых кДН К, которые соотаетстауют атому гену. (Как будет описано а глазе 8, моле пулы кДНК суть ДНК-копии молекул мРНК, и большие коллекции нуклеотидных последовательностей кДНК размещены а различных базах данных; чем больше совпадений менщу их последовательностями, тем выше достоверность того, что предсказанный ген транскрибируется а РНК и является, таким образом, подлинным геном.) Цвет каждого приписанного к своему гену прямоугольника указыаает, известен ли близкородстаенный ген у других организмоа.
Например, МУУУ (Матгпа1»-УУаггпз-Уеазт) означает, что данный ген имеет близких родственников у млекопитающих, у червя нематоды Саелоглаьтиз егедалз и у дрожжей 5ассьаготусез сегеияае. МЬУ указы зает, что »тот ген имеет близких родственников у млекопитающих и червя, но не у дрожжей.
Радужках паласа показывает долю пар оснований 0-С; ао многих различных геномах зта величина поразительно отличается для различных областей генома; происхождение и значение такой аариабельности пока не ясны. (Изображение заимствовано из М. О. Абагпз ет а1„5с!епсе 287: 2185-2195, 2000. С любезнога разрешения издательства ААА5.) Рис. 6.2. Путь от ДНК к белку.
Поток генетической ин- формации от ДНК к РНК (транскрипция) и от РНК к белку (трансляция) бурлит во всех живых клетках. репликеция ДНК < репарация ДНК генетическая рекомбинеция ДНК кодируемых геномом, мы знаем, что конечным продуктом многих генов является РНК. Подобно белкам, многие из таких РНК сворачиваются в точные трехмерные структуры, которые выполняют структурные, каталитические и регуляторные функции в клетке. Мы начинаем эту главу с первого этапа процесса расшифровки генома: с транскрипции, в ходе которой из геномной ДНК образуется молекула РНК. Затем мы просле- синтез РНК (транскрипция) е'ь'вкввхьв"вйвьв' синтез белка (трансляция) БЕЛОК ОООН Транскрипция и трансляция — средства, которыми клетки считывают и экспрессируют генетические инструкции, записанные в генах.
Поскольку с одного и того же гена может быть «изготовлено» множество тождественных копий РНК, а каждая молекула РНК может направлять синтез многочисленных идентичных молекул белка, клетки в случае необходимости могут быстро синтезировать большое количество белка. Но каждый ген может, кроме того, транскрибироваться и транслироваться с различной эффективностью, что позволяет клетке делать огромные количества некоторых белков и ничтожно малые — других (рис. 6,3). Более того, как мы увидим в следующей главе, клетка может изменять (или регулировать) экспрессию каждого из своих генов согласно текущим потребностям — чаще всего путем управления «объемом выработки» соответствующей РНК.
б.') Л. Определенные части последовательности ДИК тоансирибирувэтсл в влолеиулы РНК Первый шаг, предпринимаемый клеткой для считывания своих генетических инструкций, состоит в копировании определенного участка нуклеотидной последова тельности ДНК вЂ” гена — в нуклеотидную последовательность РН К. Содержащаяся в РНК информация, хотя и скопирована в иную химическую форму, по прежнему записана, по сути, тем же языком. каким она была описана в ДНК, — языком последовательности нуклеотидов.
Отсюда и название транскрипция ((гапвсгтр(топ). Подобно ДНК, РНК представляет собой линейный полимер, состоящий из субьединиц нуклеотидной природы четырех различных типов, связанных друг с другом фосфодиэфирными связями (рис. 6.4). Химически она отличается от ДНК по двум параметрам: () нуклеотиды в РНК суть рибонуклеотиды, то есть они содержат сахар дим за судьбой этой молекулы РНК в клетке н и и завершим наш путь на молекуле правильно аминокислоты свернутого белка.
В конце главы мы логово рим о том, каким образом могла принятая ныне весьма сложная схема хранения, транскрипции и трансляции информации возникнуть на базе более проггых систем, существовавших на самых ранних этапах эволюции клетки. 610'-::::::;: ~'А4Й',)(~)6~(ду$в(йцг)(4)6446)с((э((эуйбйа а) НОСН, О ОН НОСН О ОН в) Н Н Н Н Н ОН Н Н О ) ' О 'Р=О ) ,''~ЯК))(()ь(': ффЩМ((б))й)( в рибонуклеиновой в дезоксирибонуклеиновой кислоте (РНК) кислоте (ДНК) основания б) О с НС МН (! 1 нс с М Н )(рация О НТС. с мн ( нс с. О ( Н ТИМИН О- Р=О. О ) (эс ( в РНК в ДНК Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
