генетический код триплетен это значит
Таинственный код нашего генома
Расшифровка генетического код стала важным научным событием двадцатого века. Сейчас перед учеными появляются новые загадки о функционировании нашего генома.
Автор
Редакторы
Последовательность ДНК определяет строение белка с помощью триплетного генетического кода, в котором каждой аминокислоте соответствует три нуклеотида. Случайные мутации приводят к изменению последовательности нуклеотидов, в результате чего появляются новые варианты белков. Именно так до недавнего времени представляли себе ученые эволюцию белков. Но благодаря исследованиям последних лет оказалось, что помимо генетического кода есть и другие «коды», которые диктуют эволюции белков свои правила.
Одним из важных свойств генетического кода является его избыточность — каждая аминокислота, как правило, кодируется не одним, а 2–6 кодонами. Интересно, что при этом частота использования разных кодонов, отвечающих за одну и ту же аминокислоту, различается как в прокариотических, так и в эукариотических геномах [1]. У организмов с коротким жизненным циклом предпочтения одних кодонов другим связывают с необходимостью в увеличении эффективности транскрипции и стабильности мРНК [2], [3]. Однако в случае геномов млекопитающих такое объяснение подходит лишь для небольшого количества случаев, поэтому в последние годы ученые активно занимаются изучением особенностей геномов млекопитающих и причин предпочтительного использования тех или иных кодонов.
Важное значение в частоте использования кодонов играют транскрипционные факторы — к такому выводу пришла группа ученых из Университета Вашингтона под руководством Джона Стаматояннопоулоса (John A. Stamatoyannopoulos). В опубликованной в журнале Science статье обсуждается, как транскрипционные факторы могут управлять эволюцией белков посредством влияния на частоту использования кодонов [4].
Транскрипционные факторы (ТФ) — это белки, регулирующие транскрипцию генов при связывании с ДНК. ТФ могут повышать транскрипцию или снижать ее, влияя, таким образом, на количество мРНК и белка, соответствующих определенному гену. Долгое время считалось, что ТФ связываются только в некодирующей (не содержащей генов) части ДНК. В своем новом исследовании группа Стаматояннопоулоса выяснила, что на самом деле во многих генах человека ТФ связываются с кодирующими последовательностями ДНК (т.е. с теми, которые являются частью генов). Так как эффективность связывания ТФ с ДНК зависит от того, какие именно нуклеотиды находятся в сайте связывания, ТФ могут снижать возможное разнообразие кодонов в местах своей посадки (рис. 1). При этом даже нейтральные с точки зрения белка мутации (те, при которых последовательность аминокислот не меняется благодаря избыточности генетического кода) могут изменять эффективность связывания ТФ с ДНК и становиться материалом для естественного отбора. Получается, что эволюция белков определяется не только хорошо изученным генетическим кодом, но и другим особенным кодом — «кодом связывания ТФ». Ранее были описаны и некоторые другие «регуляторные» коды, которые контролируют организацию хроматина [5], пространственную структуру и сплайсинг мРНК [5], [6], эффективность трансляции [7], ко-трансляционный фолдинг белков [8] (рис. 2). Все они могут влиять на предпочтительное использование тех или иных кодонов.
Рисунок 1. Неслучайная частота использования кодов в дуонах в местах связывания ТФ с ДНК. На гистограмме видно, что частота использования некоторых кодонов на 5–15% выше в дуонах, чем вне дуонов. В случае аргинина кодон AGA, напротив, гораздо реже встречается в дуонах, чем в других участках генома. В левой части рисунка — распределение частоты использования разных кодонов на примере кодонов для аспарагина и лейцина.
Насколько в геноме распространено применение дополнительных «регуляторных» кодов, которые перекрывают генетический код, и какое влияние они оказывают на эволюцию белков? Сотрудники лаборатории Стаматояннопоулоса попытались ответить на этот вопрос при исследовании «кода связывания ТФ». Чтобы выявить участки ДНК, связывающиеся с ТФ, они применили метод картирования с помощью дезоксирибонуклеазы I. Этот фермент разрушает одноцепочечные участки ДНК — если только они в этот момент не связаны с ТФ (в таком случае они сохранятся). Ученые исследовали 81 тип человеческих клеток, определив точные нуклеотидные последовательности связанных с ТФ участков генов. Оказалось, что приблизительно 14% кодонов в 86,9% генов человека связаны с различными транскрипционными факторами. В своей статье исследователи предлагают называть эти участки генов «дуонами», т.к. они кодируют два типа информации — информацию о белковой последовательности в виде генетического кода и информацию об экспрессии гена с помощью связывания ТФ. Для нормальной экспрессии гена необходимо связывание ДНК с ТФ, поэтому существуют определенные ограничения на использование различных кодонов, обусловленные строением ДНК-связывающего участка ТФ.
В геноме человека широко распространены однонуклеотидные полиморфизмы (single nucleotide polymorphisms, SNP) — различия последовательности гомологичных генов разных людей на один нуклеотид. Могут ли такие однонуклеотидные различия повлиять на эффективность связывания ТФ с ДНК? Чтобы узнать это, ученые из лаборатории Стаматояннопоулоса нашли на полученной ими карте дуонов почти 600 тыс. известных сайтов SNP, связанных с развитием какого-либо заболевания или проявлением определенного фенотипического признака. Оказалось, что 17,4% сайтов полиморфизма изменяют результаты картирования с помощью дезоксирибонуклеазы I, т.е. они, вероятно, снижают эффективность связывания ТФ с ДНК. Это изменение не зависит от того, является ли данный полиморфизм синонимичным или несинонимичным (т.е. влияет ли замена нуклеотида на замену аминокислоты в белке). Интересно, что значительная часть несинонимичных замен, хотя и приводит к изменению последовательности белка, не приводит к нарушению его функций. В этих случаях изменения нуклеотидной последовательности приводят только к нарушению связывания ТФ с ДНК. Эта находка поддерживает гипотезу о том, что SNP в кодирующей ДНК могут приводить к развитию заболеваний без влияния на функцию белка [9], [10]. Поэтому при изучении роли SNP в различных заболеваниях и при исследовании экзома необходимо учитывать весь спектр «регуляторных кодов», взаимодействующих с последовательностью гена.
«Регуляторные коды» далеко не всегда мирно и гармонично сосуществуют. В генах плодовой мушки Drosophila melanogaster ближе к концу экзонов наблюдается резкое снижение частоты использования оптимальных для трансляции кодонов и повышение частоты использования кодонов, которые облегчают сплайсинг мРНК [11]. Это показывает, что в ходе эволюции потребность в точном сплайсинге была выше, чем потребность в более эффективной трансляции. Также при исследовании дуонов и других ТФ-связывающих участков ДНК оказалось, что среди этих последовательностей нет стоп-кодонов.
Рисунок 2. «Тайные коды» нашего генома, которые определяют частоту использования кодонов и выбор аминокислот в эволюции белков, независимо от выполнения белком его функций
Что же может обеспечить взаимовыгодное соседство «регуляторных» и генетического кодов? Одним из ключевых ограничений для белок-кодирующих генов является то, что последовательность гена должна обеспечивать нормальный фолдинг кодируемого белка. Мутации, нарушающие правильную укладку, с большой вероятностью будут отсеяны как вредные. Можно предположить, что когда необходимость правильного фолдинга отсутствует (например, в неструктурированных белках [12]), белок-кодирующая последовательность может содержать большее количество регуляторных элементов для различных «регуляторных кодов». Действительно ли это так, помогут узнать дальнейшие исследования.
Несмотря на то, что в работе Стаматояннопоулоса и его коллег было сделано много интересных наблюдений о функционировании «кода связывания ТФ», некоторые вопросы остаются открытыми. Например, авторы статьи отмечают, что ТФ гораздо реже связываются с генами с высокой экспрессией, но не ясно, как ТФ при связывании с белок-кодирующими участками ДНК могут воздействовать на транскрипцию этих генов. Возможно, что связывание ТФ в данном случае вызывает активацию альтернативного промотора или соседнего гена, снижая таким образом экспрессию гена с ТФ-связывающей последовательностью. С другой стороны, этот эффект может быть связан с перестройкой хроматина, которая приводит к снижению экспрессии ряда генов.
Новые исследования помогут ученым лучше понять, как различные «регуляторные коды» взаимодействуют друг с другом и с генетическим кодом. Интересно узнать, всегда ли природа могла найти оптимальное решение при сочетании разных кодов, или иногда возникали противоречия, приводящие к неоптимальным или вредным последствиям. Например, может оказаться, что белок-кодирующие последовательности ДНК, которым «трудно справиться» с обилием и разнообразием регуляторных элементов, активно используются патогенами при инфицировании хозяина. Обнаружение перекрывающихся «регуляторных кодов» в нашем геноме открывает новые перспективы для интерпретации различий и особенностей в последовательностях ДНК и указывает на то, что исследование генетического кода еще не подошло к концу.
Перевод редакционной колонки журнала Science [13].
Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/3/4
Содержание
В последовательности нуклеотидов ДНК закодирована последовательность аминокислот в белках [ править ]
Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) представляет собой полимерную молекулу сложной структуры длиной от нескольких тысяч пар нуклеотидов (пн) до нескольких миллионов пар нуклеотидов.
1 метр), длина всех 23 молекул ДНК гаплоидного набора хромосом)
В ДНК зашифрована информация о первичной структуре белков посредством комбинации нуклеотидов. Процесс «переписывания» этого кода с ДНК в молекулы РНК называется транскрипцией, а синтез белка в рибосомах по матрице иРНК, в ходе которого происходит «перевод» нуклеотидного кода в последовательность аминокислот — трансляцией.
Генетический код ДНК состоит из триплетов, то есть из тройных комбинаций нуклеотидов. При транскрипции генетический код «переписывается» в последовательность нуклеотидов иРНК. Тройки нуклеотидов иРНК, кодирующие аминокислоты, называются кодонами. Из 64 возможных триплетов (4³) 61 являются смысловым кодонами, то есть кодируют аминокислоты. Все кодоны триплетны, неразрывны и не перекрываются в тексте (как считалось по одной из гипотез), а также не разделены межкодонными знаками. Все кодоны однозначны, то есть каждый кодон кодирует единственную аминокислоту.
Генетический код содержит в себе также знаки пунктуации (начала и конца трансляции). Кодоны AUG, GUG и UUG у прокариот помимо кодирования аминокислот кодируют ещё и команду начала трансляции. Однако однозначность генетического кода при этом не нарушается, так как инициирующие знаки располагаются в определенном окружении (контексте), способном образовывать самокомплементарные субъединицы. У эукариот инициирующими триплетами являются AUG, UUG, AUA и ACG. Три кодона из 64 (UGA, UAG, UAA) не кодируют аминокислот, а служат знаками окончания трансляции (стоп-кодоны). Обычно ими заканчиваются все транслируемые гены. Возникновение в результате мутации нонсенс-кодонов внутри гена приводит к преждевременной терминации трансляции и прекращению синтеза белка.
Расшифровке генетического кода помог синтез искусственных РНК [ править ]
В1953 году Фрэнсис Крик совместно с Джеймсом Уотсоном сделал предположение, что только 20 кодонов генетического кода имеют значение, а остальные 44 триплета являются бессмысленными. В 1961 Ф. Крик с сотрудниками получил подтверждение гипотезы триплетного неперекрывающегося кода без запятых.
Расшифровать генетический код удалось in vitro, благодаря технике белкового синтеза в бесклеточных системах, то есть в клеточных экстрактах, содержащих все необходимые компоненты аппарата трансляции (тРНК, иРНК, рибосомы, аминокислоты, ферменты, источник энергии (АТФ и ГТФ), а также вспомогательные компоненты), за исключением только принадлежащий клетке мРНК. Вводя в такие экстракты искусственно синтезированные мРНК, можно было изучать включения меченых аминокислот в строящиеся белки. М. Ниренберг и Ф. Ледер провели опыт по помещению в бесклеточную систему трансляции различных олигорибонуклеотидов и выявили, что конкретные тририбонуклеотиды, ассоциированные с рибосомами, связывают только определенные фракции тРНК, с определенными мечеными аминокислотами. Например, олигорибонуклеотид УУУ связывает тРНК, имеющую антикодон ААА и несущую аминокислоту фенилаланин. Следовательно, кодон мРНК УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин. С помощью такого метода к 1965 году генетический код был расшифрован полностью.
Летом 1966 года на симпозиуме по количественной биологии в Колд-Спринг-Харборе (США) все полученные данные были систематизированы Ф. Криком. Расшифрованный генетический код E. coli, исследованный методом in vitro, полностью согласовывался также с другими независимыми данными, полученными методом in vivo для других видов.
Основные свойства генетического кода одинаковы у всех живых организмов [ править ]
Генетический код — способ кодирования последовательностью нуклеотидов в ДНК аминокислотной последовательности белков. Для генетического кода характерны следующие свойства (см. следующие разделы):
подряд, без пропусков
Генные знаки препинания Участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу РНК, называется геном. После каждого кодирующего белок участка гена находится стоп-кодон, регулирующий трансляцию. К таким «знакам препинания» относятся и стоп-кодоны UAA, UAG и UGA. Эти сигналы опознаёт рибосома, но не РНК_полимераза — для неё на ДНК есть свои «стоп-сигналы», состоящие более чем из трех нуклеотидов.
Кодон AUG (первый после лидерной последовательности) выполняет роль «заглавной буквы», то есть кодирует метионин (у эукариот) или формилметионин (у прокариот), с которого начинается образование полипептидной цепи в процессе трансляции.
Кодоны UAA (охра, или Ochre), UAG (амбер-кодон, или Amber) и UGA (опал, или Opal) являются терминаторными кодонами и кодируют прекращение (терминацию) синтеза полипептиднойцепи трансляции.
Если AUG — «заглавная буква», стоп-кодоны — «точки», то с «абзацем» можно сравнить оперон и комплементарная ему мРНК, присутствующие только в прокариотической клетке. Оперон — участок ДНК бактерии, отвечающий за отдельный участок метаболического пути. Он кодирует совместно или последовательно работающие белки, объединенные под одним (или несколькими) промоторами.
У эукариот внутригенные стоп-кодоны и иные «знаки препинания» отсутствуют, что было экспериментально доказано Сеймуром Бензером и Фрэнсисом Криком в 1961 году. У прокариот с оперона часто считывается одна молекула полицистронной мРНК. В её нуклеотидной последовательности есть несколько стоп-кодонов, а между ними — рамки считывания для нескольких полипептидных цепочек. При трансляции прокариотическая рибосома «перепрыгивает» стоп-кодоны и продолжает синтез следующего белка, а синтезированная полипептидная цепь при этом отделяется от рибосомы.
Генетический код триплетный [ править ]
Генетический код неперекрывающийся [ править ]
В 1956 году американский ученый Джордж Гамов высказал предположение о перекрываемости генетического кода. Оно заключается в следующем: предположим, у нас есть следующая последовательность нуклеотидов: УУАГУААЦГУАА
В этой последовательности могут действовать кодоны
Плюс перекрываемого кода — компактность (недаром это свойство обнаружено у некоторых генов вирусов). Минус — явная зависимость структуры белка от замены нуклеотида.
После расшифровки генетического кода было показано, что он неперыкрывающийся, то есть в последовательности нуклеотидов УУАГУААЦГУАА действуют только кодоны УУА ГУА АЦГ УАА.
Как правило, для каждого гена существует одна открытая рамка считывания.
Генетический код непрерывный [ править ]
У бактерий многие иРНК полицистронные. Они кодируют несколько полипептидных цепей, и кодирующие их последовательности разделены стоп-кодонами. При трансляции бактериальная рибосома «перескакивает» стоп-кодоны, сразу же начиная синтез следующей полипептидной цепи; белок, синтез которого закончился, при этом отделяется от рибосомы.
Генетический код вырожденный [ править ]
В 1954 году американский ученый Джордж Гамов высказал предположение о кодировании одним кодоном одной аминокислоты, но это предположение оказалось неверным. Так как триплет состоит из трёх последовательных нуклеотидов, а всего этих нуклеотидов четыре различных, возможных триплетов может быть 4 ³=64 (кроме стоп-кодонов UAA, UAG и UGA, так что не 64, а 61), что превышает количество существующих аминокислот. В связи с этим было высказано предположение, подтвердившееся в дальнейшем, о так называемой вырожденности генетического кода — одну аминокислоту кодирует больше одного триплета, за исключением метионина и триптофана.
Отдельные аминокислоты кодируются группами (сериями) кодонов-синонимов. 18 серий из 20 содержат от двух до шести кодонов, две серии (для аминокислот метионина и триптофана) не вырождены и содержат по одному кодону. Средняя вырожденность генетического кода приблизительно равна трём кодонам на серию.
Вырожденность называется систематической, если синонимичные кодоны различаются либо пуринами, либо пиримидинами, либо вообще любыми из четырех своих нуклеотидов. Этим принципам удовлетворяют только 30 пар кодонов из 32 возможных, а также только восемь тетрад из 16. Остальные же варианты вырожденности называются несистематическими. Они относятся, как правило, к большим сериям: лейцин и аргинин — связные серии, серин — несвязная серия, изолейцин, кодируемый в три кодона — полносвязная серия.
Генетический код однозначный [ править ]
Единственный известный на сегодняшний день пример, когда это свойство нарушается — использование кодона UGA у инфузории Euplotes crassus. В зависимости от окружения он кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин [1].
Генетический код универсальный [ править ]
Универсальность генетического кода означает использование всеми живыми организмами одного генетического кода, то есть все живые существа используют одинаковые наборы кодонов для кодирования одних и тех же аминокислот.
Генетический код
Определение понятия
30×10 13 генов или 30×10 16 пар нуклеотидов, которые составляют 10 17 кодонов. Средняя книжная страница содержит 25×10 2 знаков. ДНК 6×10 9 сперматозоидов содержит информацию, равную по объему примерно
4×10 13 книжных страниц. Эти страницы заняли бы объем 6-и зданий НГУ. 6×10 9 сперматозоидов занимают половину наперстка. Их ДНК занимает менее четверти наперстка.
В генетический алфавит добавили 4 новые буквы: Z, P, S, B (З, П, С, Б)
В классический генетический алфавит группа учёных из США добавила четыре новые буквы. Привычные нуклеотиды А, Г, Ц и Т обзавелись пополнением в виде набора из пар искусственных нуклеотидов Z-P и S-B (З-П и С-Б).
Синтетические аналоги естественных азотистых оснований, полученные химиками из расположенного во Флориде исследовательского центра Firebird Biomolecular Sciences, формируют пары по принципу комплиментарности, то есть, работают в целом так же, как и обычные нуклеотиды ДНК.
Новый ДНК-алфавит из восьми букв получил название «hachimoji DNA» или «хатимодзи-ДНК» (от японских слов «хати» и «модзи» — «восемь букв»).
Ученые осуществили синтез двух новых пар нуклеотидов — З-П и Б-С. Они тоже удерживаются при помощи водородных связей, а также обладают регулярной структурой и не изменяющимися в зависимости от конкретной последовательности термодинамическими свойствами, которые несложно предсказать, зная общие принципы их образования.
hatimodzidnk.jpg
Зачем вообще ученым понадобилось расширять генетический алфавит за счет синтезированных нуклеотидов?
Это нужно, например, для бар-кодирования генетических последовательностей при секвенировании, а также для получения наноструктур, способных хранить информацию вне клетки. Есть и другие экспериментальные применения новой «хатимодзи-ДНК», однако о них ученые пообещали рассказать со временем.
Генетический код триплетен это значит
Раздел ЕГЭ: 2.6. Генетическая информация в клетке. Гены, генетический код и его свойства. Матричный характер реакций биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот
На Земле живет уже более 6 млрд людей. Если не считать 25-30 млн пар однояйцевых близнецов, то генетически все люди разные. Это означает, что каждый из них уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом и многими другими качествами. Чем же определяются такие различия между людьми? Конечно различиями в их генотипах, т.е. наборах генов данного организма. У каждого человека он уникален, так же как уникален генотип отдельного животного или растения. Но генетические признаки данного человека воплощаются в белках, синтезированных в его организме. Следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека. Вот почему возникает проблема пересадки органов, вот почему возникают аллергические реакции на продукты, укусы насекомых, пыльцу растений и т.д. Сказанное не означает, что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцевых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.
Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК — гене. Ген — это единица наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода. Код подобен всем известной азбуке Морзе, которая точками и тире кодирует информацию. Азбука Морзе универсальна для всех радистов, и различия состоят только в переводе сигналов на разные языки. Генетический код также универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены и кодирующих белки конкретных организмов.
Свойства генетического кода: триплетность, специфичность, универсальность, избыточность и неперекрываемость.
Итак, что же собой представляет генетический код? Изначально он состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности. Например, ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д. Каждый триплет нуклеотидов кодирует определенную аминокислоту, которая будет встроена в полипептидную цепь. Так, например, триплет ЦГТ кодирует аминокислоту аланин, а триплет ААГ — аминокислоту фенилаланин. Аминокислот 20, а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три — 64. Следовательно, четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот. Вот почему одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.
Собственно генетическим кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК, ибо она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции). В состав иРНК входят нуклеотиды АЦГУ. Триплеты нуклеотидов иРНК называются кодонами. Уже приведенные примеры триплетов ДНК на иРНК будут выглядеть следующим образом — триплет ЦГТ на иРНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК — ААГ — станет триплетом УУЦ. Именно кодонами иРНК отражается генетический код в записи. Итак, генетический код триплетен, универсален для всех организмов на земле, вырожден (каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном). Между генами имеются знаки препинания — это триплеты, которые называются стоп-кодонами. Они сигнализируют об окончании синтеза одной полипептидной цепи. Существуют таблицы генетического кода, которыми нужно уметь пользоваться, для расшифровки кодонов иРНК и построения цепочек белковых молекул (в скобках — комплементарные ДНК).