Мутации и генетический код

В таблице кода указаны три кодона УАА, УАГ и УГА, которые не кодируют никаких аминокислот и потому называются нонсенс‑кодонами, или терминирующими кодонами. Открытие этих кодонов было важным шагом в понимании механизма синтеза белка. Выше упоминалось о том, что иРНК может быть считана сразу с нескольких цистронов. Возник вопрос о том, каким образом при синтезе белков с такой полицистропной иРНК происходит обрыв чтения на конце одного цистрона и начинается чтение следующего цистрона. Обнаружение нонсенс‑кодонов дало ответ на первый вопрос. К тому же стало понятным поведение некоторых мутантов, выделенных до этого у вирусов и бактерий. Это касается прежде всего так называемых амбер‑мутантов фагов, которые могли размножаться в клетках одних линий бактерий и оказывались не способными к этому в других. Анализ этих мутантов показал, что в тех линиях бактерий, где развитие амбер‑мутантов фагов не происходило, дефект был связан с неполным прочтением мутировавших генов. Под их контролем формировались не целые молекулы белка, а обрывки полипептидной цепи одинаковой длины. Такие амбер‑мутанты удалось выделить практически для всех генов фага Т4 (Р. Эпштейн, 1963; Р Эдгар Г. Денхардт и Р. Эпштейн, 1964; Р. Эдгар, 1965, и др.), а также для гена щелочной фосфатазы кишечной палочки (лаборатория А. Герена в США, 1962 1964), а сам метод изучения амбер‑мутантов оказал большую услугу ученым, позволив описать неизвестные ранее гены. Весьма примечательным было и то, что свойства амбер‑мутантов фагов проявлялись только при заражении такими фагами определенных видок бактерий. При заражении же других видов дефект исправлялся, и синтезировались молекулы белка нормальной длины, хотя нередко и с измененными свойствами.

Последовательность реакций при матричном биосинтезе белков (по А.С. Спирину Л.П. Гавриловой, 1963).

I – свободные субъединицы рибосом, отдельные транспортные РНК и аминоацил‑тРНК в клетках перед началом синтеза белка; II – присоединение индивидуальной молекулы иРНК к малой субъединице рибосомы; III – присоединение большой субъединицы рибосомы к малой субъединице, заряженной иРНК. Этот комплекс в нормальных условиях остается стабильным до конца считывания матрицы иРНК; IV – присоединение к малой субъединице рибосомы аминоацил‑тРНК (первой всегда присоединяется формилметиониновая аминоацил‑тРНК); V – конец аа‑тРНК, несущий аминокислоту, присоединяется к большой субъединице рибосомы; VI – конец иРНК с присоединенной к нему формилметиониновой тРНК «вдвигается» в большую субъединицу рибосомы; VII – начало следующего цикла в работе рибосомы. Снова к малой субъединице присоединяется аа‑тРНК, соответствующая очередному кодону иРНК, вошедшему в рибосому; VIII – конец аа‑тРНК, несущий аминокислоту, присоединяется к большой субъединице. Теперь две аминокислоты (формилметиониновая и очередная, вошедшая в рибосому) оказываются в пространственной близости; IX – формилметионин перебрасывается на очередную аминокислоту: начался синтез полипептидной цепи; X – транспортная РНК, освободившаяся от аминокислоты формилметионина, покидает рибосому, уступая место для очередного акта «протягивании» иРНК в рибосому; XI – нить информационной РНК продвигается в рибосому еще ни один кодон; XII – начало третьего цикла работы рибосомы: в малую субъединицу вошла новая аминоацил‑тРНК.

Спустя некоторое время удалось выделить так называемые охра мутанты (УАА‑кодон) (С. Бреннер, А. Стреттон и С. Каплан, 1965; М. Вейгерт и А. Герен, 1965) с точно такими же свойствами, а затем и мутанты, у которых обрыв чтения иРНК происходил на кодоне УГА (опал‑кодон), (С. Бреннер, Л. Барнет, Е. Кац и Ф. Крик, 1967), И охра‑мутанты, и мутанты, несшие нонсенс‑кодон УГА, удалось искра вить (супрессировать) в специальных линиях, имевших так называемы о гены‑супрессоры. Все гены‑супрессоры относились к трем классам: амбер‑супрессоры (su‑1, su‑2 и su‑3), восстанавливавшие чтение иРНК, оборванное на амбер‑кодоне; охра‑супрессоры (su‑4 и su‑5), подавлявшие амбер‑ и охра‑кодоны; супрессоры кодона УГА.

Свойство супрессии оказалось связанным с наличием в клетках, несущих супрессорные гены, молекул тРНК, способных узнавать нонсенс‑кодон (Г. Броуди и Ч. Яновский, 1963; Дж. Беквит, 1964; Ч. Яновский, 1966; Г. Корана и др., 1966). Такие мутантные тРНК могут спариваться с нонсенс‑кодоном и таким образом подставлять против них аминокислоту. Анализ подстановок, осуществляемых в супрессорных линиях, показал, что в su‑1‑линиях Е. coli тРНК подставляют против амбер‑кодона серил; в su‑2‑глутамин, в su‑3‑тирозин. В результате обрыва чтения не происходит и формируются полные молекулы белка. Чаще всего они имеют измененные свойства, так как на месте возникшей амбер‑мутации подставляется не та аминокислота, которая была до возникновения амбер‑кодона.

Анализ природы различных мутаций привел к выводу, что все точечные мутации можно разделить на три основных класса:

1. Миссенс‑мутации – мутации, при которых изменяется смысл кодона; в этом случае против него встает неверная аминокислота, и свойства синтезируемого белка меняются. К миссенс‑мутациям относится большинство мутаций, описанных ранее.

2. Нонсенс‑мутации – мутации, при которых возникает нонсенс‑кодон, не кодирующий никаких аминокислот, и на нем обрывается чтение иРНК в рибосомах. К таким нонсенс‑кодонам относится кодон УАГ (амбер‑кодон), кодон УАА (охра‑кодон) и кодон УГА (опал‑кодон).

3. Мутации со сдвигом чтения (или, как их часто называют, мутации сдвига рамки). Эти мутации, изученные Криком и его сотрудниками, позволили доказать трехбуквенность генетического кода. Мутации сдвига чтения возникают после того, как одно или несколько оснований выпадут из молекулы ДНК или внедрятся в нее. Интересно отметить, что сдвиг чтения чаще всего приводит к тому, что в какой‑то точке он заканчивается нонсенс‑кодоном и на нем чтение обрывается вообще.

В последнее время был решен также вопрос, как начинается синтез белка. Мы уже начали описывать этот процесс с того момента, когда к пептидильному центру рибосомы была присоединена молекула строящегося белка и ее дальнейшее наращивание осуществлялось за счет переброса пептидной цепи на аминокислоту, присоединенную к аминоацильному центру. Но в самом начале цистрона, когда пептидильный центр еще не занят, переброска на аминокислоту произойти не может, и, даже если аминоацетил‑тРНК войдет в аминоацильный центр и спарится с кодонами иРНК, сдвига рибосомы по молекуле иРНК не произойдет, ибо первый кодон так и останется пустым.

Эта загадка была решена после открытия особого типа тРНК – так называемой формилметиониновой тРНК. Оказалось, что тРНК метионина может присоединять в результате ферментативной реакции формильную группу к аминокислоте:

Такая формилметиониновая тРНК может присоединиться к двум кодонам АУГ и ГУГ, если только они расположены в начале цепи иРНК. В случае, когда эти кодоны располагаются в середине иРНК, АУГ кодирует метионин, а ГУГ – валин.

Только формилметиониновая тРНК может войти в пептидильный центр рибосомы в начале синтеза. После этого может произойти переброс формилметионина к аминокислоте, присоединенной к аминоацильному центру. В результате все цепи белка начинаются с одной и той же аминокислоты – формилметионина. После того как построенная цепь белка отсоединится от рибосомы, формильная или даже метиониновая группы могут быть ферментативно отщеплены от белка. Таким образом, установлено, что роль иницирующих кодонов играют АУГ и ГУГ, если они располагаются в начальном участке иРНК, а окончание синтеза происходит на нонсенс‑кодонах.

Выяснение природы, строения и функционирования генетического кода явилось огромным достижением современной биологии. Последние успехи в искусственном синтезе белка, нуклеиновых кислот, особенно тех, которые обладают способностью к программированию живых вирусных частиц (работы лаборатории А. Корнберга в Стэнфордском университете, США), позволяют надеяться, что одна из основных проблем современной биологии – искусственный синтез живого с нужными человеку свойствами – будет, в конце концов, разрешена.