Кодування генів Код у коді: розкрито другий генетичний код

Генетичний код різних організмів має деякі спільні властивості:
1) Триплетність. Для запису будь-якої, зокрема і спадкової інформації використовується певний шифр, елементом якого є буква, чи символ. Сукупність таких символів становить абетку. Окремі повідомлення записуються комбінацією символів, які називаються кодовими групами або кодонами. Відомий алфавіт, що складається всього з двох символів, - це абетка Морзе. У ДНК 4 літери – перші літери назв азотистих основ (А, Г, Т, Ц), отже, генетичний алфавіт складається лише з 4 символів. Що ж є кодовою групою, чи словом генетичного коду? Відомо 20 основних амінокислот, зміст яких має бути записаний генетичним кодом, тобто 4 літери повинні дати 20 кодових слів. Допустимо, слово складається з одного символу, тоді ми отримаємо лише 4 кодові групи. Якщо слово складається з двох символів, то таких груп буде лише 16, а цього явно мало, щоб закодувати 20 амінокислот. Отже, в кодовому слові має бути щонайменше 3 нуклеотиди, що дасть 64 (43) поєднання. Такої кількості триплетних поєднань цілком достатньо кодування всіх амінокислот. Таким чином, кодон генетичного коду – це триплет нуклеотидів.
2) Виродженість (надмірність) – властивість генетичного коду що складається з одного боку, у цьому, що він містить надлишкові триплети, т. е. синоніми, з другого – «безглузді» триплети. Оскільки код включає 64 поєднання, а кодуються лише 20 амінокислот, то деякі амінокислоти кодуються кількома триплетами (аргінін, серин, лейцин – шістьма; валін, пролін, аланін, гліцин, треонін – чотирма; ізолейцин – трьома; фенілаланін, фенілаланін, , аспарагін, глутамін, цистеїн, аспарагінова та глутамінова кислоти – двома; метіонін та триптофан – одним триплетом). Деякі кодові групи (УАА, УАГ, УГА) взагалі не несуть смислового навантаження, тобто є «безглуздими» триплетами. «Безглузді», або nonsense, кодони виконують функцію термінаторів ланцюгів – розділових знаків у генетичному тексті – служать сигналом закінчення синтезу білкового ланцюга. Така надмірність коду має значення для підвищення надійності передачі генетичної інформації.
3) Неперекриваність. Кодові триплети ніколи не перекриваються, тобто завжди транслюються разом. При зчитуванні інформації з молекули ДНК неможливе використання азотистої основи одного триплету в комбінації з основами іншого триплету.
4) Однозначність. Немає випадків, коли той самий триплет відповідав би більш ніж одній кислоті.
5) Відсутність розділових знаків усередині гена. Генетичний код зчитується з певного місця без ком.
6) Універсальність. У різних видів живих організмів (вірусів, бактерій, рослин, грибів і тварин) однакові триплети кодують ті самі амінокислоти.
7) Видова специфічність. Кількість і послідовність азотистих основ у ланцюзі ДНК у різних організмів різні.

Класифікація генів

1) За характером взаємодії аллельної парі:

Домінантний (ген, здатний пригнічувати прояв аллельного йому рецесивного гена); - рецесивний (ген, прояв якого пригнічений алельним домінантним йому геном).

2) Функціональна класифікація:

2) Генетичний код- це певні поєднання нуклеотидів та послідовність їх розташування у молекулі ДНК. Це властивий для всіх живих організмів спосіб кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів.

У ДНК використовується чотири нуклеотиди - аденін (А), гуанін (G), цитозин (С), тимін (T), які в російськомовній літературі позначаються літерами А, Г, Т і Ц. Ці літери становлять алфавіт генетичного коду. У РНК використовуються самі нуклеотиди, крім тіміну, який замінений схожим нуклеотидом - урацилом, який позначається буквою U (У російськомовної літературі). У молекулах ДНК та РНК нуклеотиди вишиковуються в ланцюжки і, таким чином, виходять послідовності генетичних літер.

Генетичний код

Для побудови білків у природі використовується 20 різних амінокислот. Кожен білок є ланцюжком або кількома ланцюжками амінокислот у строго певній послідовності. Ця послідовність визначає будову білка, отже всі його біологічні властивості. Набір амінокіслот також універсальний для багатьох живих організмів.

Реалізація генетичної інформації в живих клітинах (тобто синтез білка, що кодується геном) здійснюється за допомогою двох матричних процесів: транскрипції (тобто синтезу іРНК на матриці ДНК) та трансляції генетичного коду в амінокислотну послідовність (синтез поліпептидного ланцюга на матриці іРНК). Для кодування 20 амінокислот, а також сигналу стоп, що означає кінець білкової послідовності, достатньо трьох послідовних нуклеотидів. Набір із трьох нуклеотидів називається триплетом. Прийняті скорочення, що відповідають амінокислотам та кодонам, зображені на малюнку.

Властивості генетичного коду

1. Триплетність- Значною одиницею коду є поєднання трьох нуклеотидів (триплет, або кодон).

2. Безперервність- між триплетами немає розділових знаків, тобто інформація зчитується безперервно.

3. Дискретність- той самий нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більше триплетів.

4. Специфіка- Певний кодон відповідає лише одній амінокислоті.

5. Виродженість (надмірність)- одній і тій амінокислоті може відповідати кілька кодонів.

6. Універсальність - генетичний кодпрацює однаково в організмах різного рівня складності – від вірусів до людини. (На цьому засновані методи генної інженерії)

3) транскрипція - процес синтезу РНК з використанням ДНК як матриця, що відбувається у всіх живих клітинах. Іншими словами, це перенесення генетичної інформації із ДНК на РНК.

Транскрипція каталізується ферментом ДНК-залежною РНК-полімеразою. Процес синтезу РНК протікає у напрямку від 5"- до 3"-кінцю, тобто по матричному ланцюгу ДНК РНК-полімераза рухається в напрямку 3"->5"

Транскрипція складається із стадій ініціації, елонгації та термінації.

Ініціація транскрипції- складний процес, що залежить від послідовності ДНК поблизу транскрибируемой послідовності (а в еукаріотів також і від більш далеких ділянок геному - енхансерів і сайленсерів) і від наявності або відсутності різних білкових факторів.

Елонгація- продовжується подальше розплетення ДНК і синтез РНК по ланцюгу, що кодує. він так само як і синтез ДНК здійснюється в напрямку 5-3

Термінація- як тільки полімераза досягає термінатора, вона негайно відщеплюється від ДНК, локальний гібрид ДНК - РНК руйнується і новосинтезована РНК транспортується з ядра до цитоплазми на цьому транскрипція завершується.

Процесинг- Сукупність реакцій, що ведуть до перетворення первинних продуктів транскрипції та трансляції у функціонуючі молекули. П. піддаються функціонально неактивні молекули-попередники разл. рибонуклеїнових к-т (тРНК, рРНК, мРНК) та багато інших. білків.

У процесі синтезу катаболічних ферментів (що розщеплюють субстрати) у прокаріотів відбувається індукований синтез ферментів. Це дає клітині можливість пристосовуватися до умов довкілля та економити енергію, припиняючи синтез відповідного ферменту, якщо потреба у ньому зникає.
Для індукції синтезу катаболічних ферментів обов'язковими є такі умови:

1. Фермент синтезується лише тоді, коли розщеплення відповідного субстрату необхідне клітини.
2. Концентрація субстрату в середовищі має перевищити певний рівень, перш ніж відповідний фермент зможе утворитися.
Найбільш добре вивчений механізм регуляції експресії генів у кишкової палички на прикладі lac-оперону, який контролює синтез трьох катаболічних ферментів, що розщеплюють лактозу. Якщо в клітині багато глюкози та мало лактози, промотор залишається неактивним, а на операторі знаходиться білок репресор – блокується транскрипція lac-оперону. Коли кількість глюкози в середовищі, а отже і в клітині, зменшується, а лактози збільшується, відбуваються такі події: кількість циклічного аденозинмонофосфату збільшується, він зв'язується з САР-білком - цей комплекс активує промотор, з яким з'єднується РНК-полімераза; у цей час надлишок лактози з'єднується з білком-репресором і звільняє від нього оператор - шлях для РНК-полимеразы відкритий, починається транскрипція структурних генів lac -оперона. Лактоза виступає як індуктор синтезу тих ферментів, які її розщеплюють.

5) Регуляція експресії генів у еукаріотівпротікає набагато складніше. Різні типи клітин багатоклітинного еукаріотичного організму синтезують ряд однакових білків і в той же час відрізняються один від одного набором білків, специфічних для клітин даного типу. Рівень продукції залежить від типу клітин, і навіть від стадії розвитку організму. Регуляція експресії генів складає рівні клітини і лише на рівні організму. Гени еукаріотичних клітин діляться на дваОсновні види: перший визначає універсальність клітинних функцій, другий – детермінує (визначає) спеціалізовані клітинні функції. Функції генів першої групивиявляються у всіх клітинах. Для здійснення диференційованих функцій спеціалізовані клітини мають експресувати певний набір генів.
Хромосоми, гени та оперони еукаріотичних клітин мають низку структурно-функціональних особливостей, що пояснює складність експресії генів.
1. Оперони еукаріотичних клітин мають кілька генів – регуляторів, які можуть розташовуватись у різних хромосомах.
2. Структурні гени, що контролюють синтез ферментів одного біохімічного процесу, можуть бути зосереджені в кількох оперонах, розташованих не тільки в одній молекулі ДНК, а й у кількох.
3. Складна послідовність молекули ДНК. Є інформативні та неінформативні ділянки, унікальні та багаторазово повторювані інформативні послідовності нуклеотидів.
4. Еукаріотичні гени складаються з екзонів та інтронів, причому дозрівання і-РНК супроводжується вирізанням інтронів із відповідних первинних РНК-транскриптів (про-і-РНК), тобто. сплайсинг.
5. Процес транскрипції генів залежить стану хроматину. Локальна компактизація ДНК повністю блокує синтез РНК.
6. Транскрипція в еукаріотів не завжди пов'язана з трансляцією. Синтезована і-РНК може тривалий час зберігатися як інформосом. Транскрипція та трансляція відбуваються у різних компартментах.
7. Деякі гени еукаріотів мають непостійну локалізацію (лабільні гени або транспозони).
8. Методи молекулярної біології виявили гальмуючу дію білків-гістонів на синтез іРНК.
9. У процесі розвитку та диференціювання органів активність генів залежить від гормонів, що циркулюють в організмі та викликають специфічні реакції у певних клітинах. У ссавців важливе значення має вплив статевих гормонів.
10. У еукаріотів на кожному етапі онтогенезу експресовано 5-10% генів, інші мають бути заблоковані.

6) репарація генетичного матеріалу

Репарація генетична- процес усунення генетичних ушкоджень та відновлення спадкового апарату, що протікає у клітинах живих організмів під дією спеціальних ферментів. Здатність клітин до репарації генетичних ушкоджень уперше виявлено 1949 року американським генетиком А.Кельнером. Репарація- особлива функція клітин, що полягає у здатності виправляти хімічні пошкодження та розриви в молекулах ДНК, пошкодженої при нормальному біосинтезі ДНК у клітині або внаслідок дії фізичних чи хімічних агентів. Здійснюється спеціальними ферментними системами клітини. Ряд спадкових хвороб (напр., пігментна ксеродерма) пов'язані з порушеннями систем репарації.

види репарацій:

Пряма репарація - найпростіший шлях усунення пошкоджень у ДНК, у якому зазвичай задіяні специфічні ферменти, здатні швидко (як правило, в одну стадію) усувати відповідне пошкодження, відновлюючи вихідну структуру нуклеотидів. Так діє, наприклад, O6-метилгуанін-ДНК-метилтрансфераза, яка знімає метильну групу з азотистої основи на один із власних залишків цистеїну.

Провідний науковий журнал Natureповідомив про виявлення другого генетичного коду – такого собі «кода всередині коду», який був нещодавно зламаний молекулярними біологами та комп'ютерними програмістами. Більше того, щоб його виявити, вони використовували не еволюційну теорію, а інформаційні технології.

Новий код отримав назву Код Сплайсінгу. Він знаходиться усередині ДНК. Цей код контролює основний генетичний код дуже складним, проте, передбачуваним чином. Код сплайсингу управляє тим, як і коли відбувається складання генів та регулюючих елементів. Розкриття цього коду всередині коду допомагає пролити світло на деякі давні таємниці генетики, які спливли на поверхню після проведення Проекту розшифровування повної послідовності геному людини. Одна з таких таємниць полягала в тому, чому в такому складному організмі, як людський, існує лише 20 000 генів? (Вчені очікували виявити набагато більше.) Чому гени розбиваються на сегменти (екзони), які поділяються елементами, що не кодують (інтрони), а потім після транскрипції з'єднуються разом (тобто сплайсуються)? І чому гени включаються в одних клітинах і тканинах і не включаються в інших? Упродовж двох десятиліть молекулярні біологи намагалися з'ясувати механізми генетичного регулювання. Ця стаття вказує на дуже важливий момент у розумінні того, що відбувається насправді. Вона не дає відповіді на всі питання, але вона показує, що внутрішній код існує. Цей код - система передачі інформації, яку можна так зрозуміло розшифрувати, що вчені могли б прогнозувати, як у певних ситуаціях і з незрозумілою точністю може поводитися геном.

Уявіть, що у сусідній кімнаті ви чуєте оркестр. Ви відчиняєте двері, заглядаєте всередину і бачите в кімнаті трьох або чотирьох музикантів, які грають на музичних інструментах. Це те, на що, за словами Брендона Фрея, який брав участь у розкритті коду, схожий на людський геном. Він говорить: «Ми змогли виявити лише 20,000 генів, але ми знали, що вони утворюють величезну кількість білкових продуктів та регулюючих елементів. Як? Один із методів називається альтернативним сплайсингом». Різні екзони (частини генів) можуть збиратися різними способами. «Наприклад, три гени білка нейрексину можуть створювати понад 3000 генетичних послань, які допомагають керувати системою зв'язків мозку», – каже Фрей. Тут же у статті йдеться про те, що вченим відомо, що 95% наших генів мають альтернативний сплайсинг, і в більшості випадків у різних типах клітин та тканин транскрипти (молекули РНК, що утворюються внаслідок транскрипції) експресуються по-різному. Має бути щось, що керує тим, як збираються та експресуються ці тисячі комбінацій. У цьому полягає завдання Кода Сплайсинга.

Читачі, які хочуть отримати побіжний огляд відкриття, можуть прочитати статтю в Science Dailyпід назвою «Дослідники, які зламали «Код сплайсингу», розкривають таємницю, що лежить в основі біологічної складності». У статті йдеться: "Вчені з університету Торонто отримали фундаментально нове уявлення про те, як живі клітини використовують обмежену кількість генів для утворення таких неймовірно складних органів, як мозок". Сам журнал Nature починається зі статті Хейді Ледфорда "Код усередині коду". Потім була стаття Техедора і Валькарсела під назвою «Регуляція генів: злом другого генетичного коду. І, нарешті, вирішальною стала стаття групи дослідників з університету Торонто під керівництвом Бенджаміна Д. Бленкоу та Брендона Д. Фрея, «Розшифровуючи код сплайсингу».

Ця стаття – перемога інформаційної науки, що нагадує нам дешифрувальників часів Другої Світової Війни. Їхні методи включали алгебру, геометрію, теорію ймовірностей, векторне обчислення, теорію інформації, оптимізацію коду програми та інші передові методи. Чого вони не потребували, так це еволюційної теорії, яка ніколи не згадувалась у наукових статтях. Читаючи цю статтю, можна побачити, під якою сильною напругою перебувають автори цієї увертюри:

«Ми описуємо схему 'коду сплайсингу', в якій використовуються комбінації сотень властивостей РНК для того, щоб передбачити обумовлені тканинами зміни в альтернативному сплайсингу тисячі екзонів. Код встановлює нові класи схем сплайсингу, розпізнає різні регулюючі програми в різних тканинах і встановлює контрольовані мутаціями регулюючі послідовності. Ми розкрили поширені регулюючі стратегії, включаючи: використання непередбачено великих об'єднань властивостей; виявлення низьких рівнів включення екзону, що послаблюються властивостями специфічних тканин; прояв властивостей в інтронах глибший, ніж вважалося раніше; і модуляція рівнів сплайс-варіанту структурними характеристиками транскрипту Код допоміг встановити клас екзонів, включення яких заглушує експресію в тканинах дорослого організму, активуючи деградацію мРНК, і виключення яких сприяє експресії під час ембріогенезу. Код полегшує розкриття та детальний опис регульованих подій альтернативного сплайсингу в масштабах всього геному».

У команді, яка зламала код, брали участь фахівці з кафедри електронної та обчислювальної техніки, а також кафедри молекулярної генетики. (Сам же Фрей працює в підрозділі корпорації Microsoft, Microsoft Research) Подібно до дешифрувальників минулого часу, Фрей і Бараш розробили «Новий метод біологічного аналізу, що проводиться за допомогою комп'ютера, який виявляє кодові слова, заховані всередині геному». За допомогою величезної кількості даних, створених молекулярними генетиками, група дослідників проводила «зворотну розробку» коду сплайсингу доки вони не змогли передбачити, як він діятиме. Як тільки дослідники з цим впоралися, вони перевірили цей код на мутаціях і побачили, як вставляються чи видаляються екзони. Вони виявили, що код може викликати тканеспецифічні зміни чи діяти по-різному залежно від цього, доросла це миша чи ембріон. Один ген, Xpo4, пов'язаний із раком; дослідники зазначили: «Ці дані підтверджують висновок про те, що експресія Xpo4 гена повинна строго контролюватись, щоб уникнути можливих згубних наслідків, включаючи онкогенез (рак), оскільки він активний під час ембріогенезу, але його кількість знижена в тканинах дорослого організму. Виявляється, вони абсолютно здивовані рівнем контролю, який вони побачили. Навмисно чи ні, але як ключ до розгадки Фрей використовував не випадкову мінливість і відбір, а мову розумного задуму. Він зазначив: «Розуміння складної біологічної системи подібне до розуміння складної електронної схеми».

Хейді Ледфорд сказав, що простота генетичного коду Уотсона-Кріка, що здається, з його чотирма підставами, триплетними кодонами, 20 амінокислотами і 64 «символами» ДНК – приховує під собою цілий світ складності. Укладений усередині цього простішого коду, Код сплайсингу набагато складніший.

Але між ДНК та білками знаходиться РНК – окремий світ складності. РНК – це трансформер, який іноді переносить генетичні послання, інколи ж управляє ними, задіявши у своїй безліч структур, здатних проводити його функцію. У статті, опублікованій у цьому ж випуску, група дослідників під керівництвом Бенджаміна Д. Бленкоу та Брендона Д. Фрея з університету Торонто в Онтаріо, Канада повідомляє про спроби розгадати другий генетичний код, який може передбачати, як сегменти інформаційної РНК, транскрибовані з певного гена можуть змішуватися і поєднуватися, щоб утворювати різноманітні продукти в різних тканинах. Цей процес відомий як альтернативний сплайсинг. На цей раз немає жодної простої таблиці – замість неї алгоритми, які поєднують більш ніж 200 різних властивостей ДНК із визначеннями структури РНК.

Робота цих дослідників свідчить про швидкий прогрес, якого досягли обчислювальні методи у складанні моделі РНК. На додаток до розуміння альтернативного сплайсингу, інформатика допомагає вченим пророкувати структури РНК і встановлювати маленькі регулюючі фрагменти РНК, які не кодують протеїни. «Це чудовий час», - Каже Крістофер Берг, комп'ютерний біолог з масачусетського інституту технологій у Кембриджі. «У майбутньому на нас чекає величезний успіх».

Інформатика, комп'ютерна біологія, алгоритми та коди – ці концепції були частиною дарвінівського словника, що він розробляв свою теорію. Мендель мав дуже спрощену модель того, як розподіляються ознаки під час успадкування. До того ж, ідея про те, що ознаки кодуються, була представлена ​​лише 1953 року. Ми бачимо, що вихідний генетичний код регулюється ще складнішим, включеним до нього, кодом. Це революційні ідеї. До того ж є всі ознаки того, що цей рівень контролю не останній. Ледфорд нагадує нам, що, наприклад, РНК і білки мають тривимірну структуру. Функції молекул можуть змінюватися, коли змінюється їхня форма Повинне існувати щось, що контролює складання, так що тривимірна структура виконує те, що вимагає функція. До того ж, доступ до генів, мабуть, контролюється. іншим кодом, гістоновим кодом. Цей код закодований молекулярними маркерами або «хвостами» на гістонових білках, які є центрами для скручування і суперскручування ДНК. Описуючи наш час, Ледфорд говорить про «Постійне відродження в інформатиці РНК».

Техедор і Валькарсел погоджуються з тим, що за простотою криється складність. "За ідеєю все виглядає дуже просто: ДНК утворює РНК, яка потім створює білок", - Починають вони свою статтю. «Але насправді все набагато складніше». У 1950-х роках ми дізналися, що всі живі організми, від бактерій до людини, мають основний генетичний код. Але невдовзі ми зрозуміли, що складні організми (еукаріоти) мають якусь неприродну і важку для розуміння властивість: їх геноми мають своєрідні ділянки, інтрони, які повинні видалятися, щоб екзони могли з'єднатися разом. Чому? Сьогодні туман розсіюється: «Основна перевага цього механізму полягає в тому, що він дозволяє різним клітинам вибирати альтернативні способи сплайсингу попередника матричної РНК (премРНК) і таким чином один ген утворює різні послання»,- пояснюють вони, - "а потім різні мРНК можуть кодувати різні білки з різними функціями". З меншого коду ви отримуєте більше інформації, за умови, що всередині коду є інший код, який знає, як це зробити.

Що і робить злом коду сплайсингу настільки важким, так це те, що фактори, що контролюють складання екзонів, встановлюються безліччю інших факторів: послідовностями, розташованими поряд з межами екзону, послідовностями інтронів і регулюючими факторами, які або допомагають, або гальмують механізм сплайсингу. До того ж, «впливи певної послідовності чи чинника можуть змінюватися залежно від її розташування щодо меж інтрона-екзону чи інших регуляторних мотивів», - пояснюють Техедор та Валькарсел. «Тому найскладнішим завданням у передбаченні тканеспецифічного сплайсингу є обчислення алгебри незліченної кількості мотивів та взаємовідносин між регуляторними факторами, які їх розпізнають».

Для вирішення цієї проблеми група дослідників ввела в комп'ютер величезну кількість даних про послідовності РНК та умови, у яких вони утворилися. «Потім комп'ютеру було дано завдання - визначити комбінацію властивостей, які найкраще могли б пояснити експериментально встановлений тканеспецифічний відбір екзонів». Інакше кажучи, дослідники провели зворотну розробку коду. Подібно до дешифрувальників часів Другої Світової Війни, як тільки вчені дізнаються алгоритм, вони можуть робити передбачення: «Він правильно і з точністю встановив альтернативні екзони і передбачив їхнє диференціальне регулювання між парами типів тканин». І так само, як будь-яка хороша наукова теорія, відкриття дало нове розуміння: Це дозволило нам по-новому пояснити раніше встановлені регуляторні мотиви і вказало на раніше невідомі властивості відомих регуляторів, а також несподівані функціональні зв'язки між ними., – зазначили дослідники. "Наприклад, код передбачає, що включення екзонів, що веде до процесованих білків, є загальним механізмом управління процесом експресії генів під час переходу з ембріональної тканини в тканину дорослого організму".

Техедор і Валькарсел вважають публікацію їхньої статті важливим першим кроком: «Роботу... краще розглядати як відкриття першого фрагмента набагато більшого Розетського каменю, необхідного для розшифрування альтернативних повідомлень нашого геному». За словами цих вчених, майбутні дослідження, безсумнівно, покращать їхні знання про цей новий код. На закінчення своєї статті вони побіжно згадують еволюцію, і роблять це дуже незвичайним чином. Вони кажуть: Це не означає, що еволюція створила ці коди. Це означає, що прогрес вимагатиме розуміння того, як коди взаємодіють. Іншою несподіванкою стало те, що ступінь збереження, що спостерігається на сьогодні, порушує питання про можливе існування «відоспецифічних кодів»..

Код, ймовірно, працює в кожній окремій клітині і, тому, можливо, повинен відповідати більш ніж за 200 типів клітин ссавців. Також він повинен справлятися з величезною різноманітністю схем альтернативного сплайсингу, не кажучи вже про прості рішення про включення або пропуск окремого екзону. Обмежене еволюційне збереження регулювання альтернативного сплайсингу (що за підрахунками становить близько 20% між людьми та мишами) порушує питання про існування видоспецифічних кодів. Більш того, зв'язок між процесингом ДНК та транскрипцією генів впливає на альтернативний сплайсинг, і останні дані вказують на упаковку ДНК гістоновими білками та ковалентними модифікаціями гістонів (так званий епігенетичний код) у регуляції сплайсингу. Тому майбутні методи мають встановити точну взаємодію між гістоновим кодом і кодом сплайсингу. Те саме стосується ще мало зрозумілого впливу складних структур РНК на альтернативний сплайсинг.

Коди, коди та знову коди. Те, що вчені практично нічого не говорять про дарвінізм у цих статтях, вказує на те, що еволюційним теоретикам – прихильникам старих ідей і традицій, доведеться багато над чим поміркувати після того, як вони прочитають ці статті. А ось ті, хто із захопленням ставиться до біології кодів, виявляться на передовій. Вони мають чудову можливість скористатися захоплюючим веб-додатком, який дешифрувальники створили для того, щоб стимулювати проведення подальшого дослідження. Його можна знайти на сайті університету Торонто під назвою "Веб-сайт прогнозування альтернативного сплайсингу". Відвідувачі даремно шукатимуть тут згадки про еволюцію, і це незважаючи на стару аксіому, що нічого в біології немає без неї сенсу. Нова версія цього виразу 2010 може звучати так: «Ніщо в біології не має сенсу, якщо не розглядається у світлі інформатики» .

Посилання та примітки

Ми раді, що змогли розповісти вам про цю історію у день її публікації. Можливо, це одна з найважливіших наукових статей року. (Звичайно ж, значущим є кожне велике відкриття, зроблене іншими групами вчених, як відкриття Вотсона і Крику.) Єдине, що ми можемо сказати це: «Оце так!» Це відкриття - чудове підтвердження створення за задумом і величезний виклик дарвінівської імперії. Цікаво, як еволюціоністи спробують виправити свою спрощену історію випадкових мутацій та природного відбору, яка була придумана ще у 19 столітті, у світлі цих нових даних.

Ви зрозуміли, про що говорять Техедор та Валькарсел? Види можуть мати власний код, властивий лише цим видам. «Тому майбутні методи мають встановити точну взаємодію між гістоновим [епігенетичним] кодом і кодом сплайсингу», - зазначають вони. У перекладі це означає: «Дарвіністи тут не до чого. Вони просто не здатні впоратися з цим». Якщо простий генетичний код Вотсона-Кріка був проблемою для дарвіністів, те, що вони скажуть тепер про код сплайсингу, який з тих самих генів створює тисячі транскриптів? А як вони впораються з епігенетичним кодом, який керує експресією генів? І хто знає, може в цій неймовірній «взаємодії», про яку ми тільки починаємо дізнаватися, задіяні й інші коди, що нагадують Розетський камінь, який тільки-но починає показуватися з піску?

Тепер, коли ми розмірковуємо про коди та інформатику, ми починаємо думати про різні парадигми нового дослідження. Що, якщо геном частково діє як мережа зберігання даних? Що якщо у ньому має місце криптографія чи відбуваються алгоритми стискування? Нам слід згадати про сучасні інформаційні системи та технології зберігання інформації. Можливо, ми навіть виявимо елементи стеганографії. Безперечно, існують додаткові механізми стійкості, такі як дублювання та виправлення, які, можливо, допоможуть пояснити існування псевдогенів. Копіювання всього геному можуть бути реакціями на стрес. Деякі з цих явищ можуть бути корисними показниками історичних подій, які не мають нічого спільного з універсальним спільним предком, але допомагають досліджувати порівняльну геноміку в рамках інформатики та дизайну стійкості, а також допомагають зрозуміти причину захворювання.

Еволюціоністи опиняються у сильній скруті. Дослідники спробували видозмінити код, а отримали лише рак та мутації. Як вони збираються пройти полем пристосованості, якщо воно все заміновано катастрофами, які чекають свого часу, як тільки хтось починає втручатися в ці нерозривно пов'язані коди? Ми знаємо, що існує якась вбудована стійкість і переносимість, але вся картина є неймовірно складною, розробленою, оптимізованою інформаційною системою, а не безладним з'єднанням частин, якими можна нескінченно грати. Вся ідея коду концепція розумного задуму.

A. E. Уайлдер-Сміт надавав цьому особливого значення. Код передбачає угоду між двома частинами. Угода - це завчасна згода. Воно має на увазі планування та мету. Символ SOS, як сказав би Уайлдер-Сміт, ми використовуємо за згодою як сигнал лиха. SOS не виглядає як лихо. Воно не пахне як лихо. Воно не відчувається як лихо. Люди не розуміли б, що ці літери позначають лихо, якби вони не розуміли суть самої угоди. Подібним чином кодон аланіну, ГЦЦ, не виглядає, не пахне і не відчувається як аланін. Кодон не мав би жодного відношення до аланіну, якби між двома кодуючими системами (кодом білка та кодом ДНК) не було заздалегідь встановленої угоди про те, що «ГЦЦ має означати аланін». Для передачі цієї угоди використовують сімейство перетворювачів, аміноацил-тРНК-синтетаз, які переводять один код в інший.

Це мало зміцнити теорію задуму у 1950-х роках і багато креаціоністів ефективно її проповідували. Але еволюціоністи схожі на промовистих торговців. Вони вигадали свої казки про фею Дінь-Дінь, яка розбирає код і створює нові види шляхом мутації та відбору, і переконали багатьох людей у ​​тому, що дива можуть відбуватися і сьогодні. Ну, добре, сьогодні за вікном 21-е століття і нам відомий епігенетичний код і код сплайсингу – два коди, які набагато складніші та динамічніші, ніж простий код ДНК. Ми знаємо про коди всередині кодів, коди над кодами і під кодами – нам відома ціла ієрархія кодів. Цього разу еволюціоністи не можуть просто вставити палець у пістолет і з блефом переконувати нас своїми красивими промовами, коли по обидва боки розставлені гармати – цілий арсенал, спрямований на головні елементи конструкції. Все це гра. Навколо них виросла ціла ера інформатики, вони давно вийшли з моди і схожі на Греків, які намагаються із списами лізти на сучасні танки та гелікоптери.

Сумно визнавати, але еволюціоністи не розуміють цього, або навіть якщо розуміють, то не збираються здаватися. Між іншим, цього тижня, якраз коли була опублікована стаття про Код сплайсингу, зі сторінок продарвінівських журналів і газет посипалася найбільш зла і ненависна останнім часом риторика, спрямована проти креаціонізму та розумного задуму. Нам належить почути ще про багато подібних прикладів. І поки вони тримають у своїх руках мікрофони та контролюють інститути, багато людей будуть траплятися на їхню вудку, думаючи, що наука продовжує давати їм достатню основу. Ми розповідаємо вам все це для того, щоб ви читали цей матеріал, вивчали його, розуміли і запаслися інформацією, яка вам необхідна для того, щоб вразити істиною цей фанатичний, що вводить в оману нісенітницю. А тепер, уперед!

ГЕНЕТИЧНИЙ КІДспосіб запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот у вигляді послідовності утворюють ці кислоти нуклеотидів. Певній послідовності нуклеотидів у ДНК та РНК відповідає певна послідовність амінокислот у поліпептидних ланцюгах білків. Код прийнято записувати за допомогою великих літер російської або латинського алфавіту. Кожен нуклеотид позначається літерою, з якої починається назва входить до складу молекули азотистої основи: А (А) - аденін, Г (G) - гуанін, Ц (С) - цитозин, Т (Т) - тимін; в РНК замість тиміну урацил - У(U). Кожну кодує комбінація із трьох нуклеотидів – триплет, або кодон. Коротко шлях перенесення генетичної інформації узагальнено т. зв. центральна догма молекулярної біології: ДНК `РНК f білок.

В окремих випадках інформація може переноситися від РНК до ДНК, але ніколи не переноситься від білка до генів.

Реалізація генетичної інформації здійснюється у два етапи. У клітинному ядрі на ДНК синтезується інформаційна або матрична РНК (транскрипція). При цьому нуклеотидна послідовність ДНК переписується (перекодується) в нуклеотидну послідовність мРНК. Потім мРНК перетворюється на цитоплазму, прикріплюється до рибосомі, і у ній, як у матриці, синтезується полипептидная ланцюг білка (трансляція). Амінокислоти за допомогою транспортної РНК приєднуються до ланцюга, що будується в послідовності, що визначається порядком нуклеотидів в мРНК.

З чотирьох «літер» можна скласти 64 різних трилітерних «слова» (кодону). З 64 кодонів 61 кодує певні амінокислоти, а три відповідають за закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. Так як на 20 амінокислот, що входять до складу білків, припадає 61 кодон, деякі амінокислоти кодуються більш ніж одним кодоном (т.зв. виродженість коду). Така надмірність підвищує надійність коду та всього механізму біосинтезу білка. Інша властивість коду – його специфічність (однозначність): один кодон кодує лише одну амінокислоту.

Крім того, код не перекривається - інформація зчитується в одному напрямку послідовно, триплет за триплетом. Найбільш дивовижна властивість коду – його універсальність: він однаковий у всіх живих істот – від бактерій до людини (виняток становить генетичний код мітохондрій). Вчені бачать у цьому доказ концепції про походження всіх організмів від одного загального предка.

Розшифрування генетичного коду, тобто визначення «сенсу» кожного кодону та тих правил, за якими зчитується інформація, здійснено у 1961–1965 рр. і вважається одним із найбільш яскравих досягнень молекулярної біології.

Генетичний код, який ще називають амінокислотним кодом, - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білку за допомогою послідовності розташування нуклеотидних залишків у ДНК, які містять одну з 4-х азотистих основ: аденін (А), гуанін (G), цитозин (C) та тимін (Т). Однак, оскільки двонитчаста спіраль ДНК не бере безпосередньої участі в синтезі білка, що кодується однією з цих ниток (тобто РНК), то код записується мовою РНК, в якій замість тиміну входить урацил (U). З цієї причини прийнято говорити, що код - це послідовність нуклеотидів, а чи не пар нуклеотидів.

Генетичний код представлений певними кодовими словами - кодонами.

Перше кодове слово було розшифровано Ніренбергом і Маттеї в 1961 р. Вони отримали екстракт з кишкової палички, що містить рибосоми та інші фактори, необхідні для синтезу білка. Вийшла безклітинна система для синтезу білка, яка могла б здійснювати збирання білка з амінокислот, якщо в середу додати необхідну мРНК. Додавши в середу синтетичну РНК, що складається тільки з урацилів, вони виявили, що утворився білок, який складається тільки з фенілаланіну (поліфенілаланін). Так було встановлено, що триплет нуклеотидів УУУ (кодон) відповідає фенілаланіну. Протягом наступних 5-6 років було визначено всі кодони генетичного коду.

Генетичний код - своєрідний словник, що перекладає текст, записаний за допомогою чотирьох нуклеотидів, білковий текст, записаний за допомогою 20 амінокислот. Інші амінокислоти, що зустрічаються в білку, є модифікаціями однієї з 20 амінокислот.

Властивості генетичного коду

Генетичний код має такі характеристики.

1. Триплетність- кожній амінокислоті відповідає трійка нуклеотидів. Легко підрахувати, що існують 4 3 = 64 кодони. З них 61 є значеннєвим і 3 - безглуздими (термінуючими, stop-кодонами).
2. Безперервність(немає розділових знаків між нуклеотидами) - відсутність внутрішньогенних розділових знаків;

   Усередині гена кожен нуклеотид входить до складу значущого кодону. У 1961р. Сеймур Бензер і Френк Крик експериментально довели триплетність коду і його безперервність (компактність) [показати]

   

   Суть експерименту: "+" мутація – вставка одного нуклеотиду. "-" мутація - випадання одного нуклеотиду.

   Одиночна мутація ("+" або "-") на початку гена або подвійна мутація ("+" або "-") – псує весь ген.

   Потрійна мутація ("+" або "-") на початку гена псує лише частину гена.

   Четверна "+" або "-" мутація знову псує весь ген.

   Експеримент був проведений на двох розташованих фагових генах і показав, що

   1. код триплетен і всередині гена немає розділових знаків
   2. між генами є розділові знаки
3. Наявність міжгенних розділових знаків- Наявність серед триплетів ініціюючих кодонів (з них починається біосинтез білка), кодонів - термінаторів (позначають кінець біосинтезу білка);

   Умовно до розділових знаків відноситься і кодон AUG - перший після лідерної послідовності. Він виконує функцію великої літери. У цій позиції він кодує формілметіонін (у прокаріотів).

   В кінці кожного гена, що кодує поліпептид, знаходиться щонайменше один з 3-х термінуючих кодонів, або стоп-сигналів: UAA, UAG, UGA. Вони термінують трансляцію.

4. Колінеарність- відповідність лінійної послідовності кодонів мРНК та амінокислот у білку.
5. Специфіка- кожній амінокислоті відповідають лише певні кодони, які не можуть використовуватись для іншої амінокислоти.
6. Односпрямованість- кодони зчитуються в одному напрямку - від першого нуклеотиду до наступних
7. Виродженість, чи надмірність,- одну амінокислоту може кодувати кілька триплетів (амінокислот – 20, можливих триплетів – 64, 61 їх смислової, т. е. у середньому кожної амінокислоті відповідає близько 3 кодонів); виняток становить метіонін (Met) і триптофан (Trp).

   Причина виродженості коду полягає в тому, що головне смислове навантаження несуть два перші нуклеотиди в триплеті, а третій не такий важливий. Звідси правило виродженості коду : якщо два кодони мають два однакові перші нуклеотиди, а їх треті нуклеотиди належать до одного класу (пуринового або піримідинового), то вони кодують одну і ту ж амінокислоту.

   Однак із цього ідеального правила є два винятки. Це кодон АUA, який повинен відповідати не ізолейцину, а метіоніну і кодон UGA, який є термінуючим, тоді як повинен відповідати триптофана. Виродженість коду має, мабуть, пристосувальне значення.

8. Універсальність- всі перелічені вище властивості генетичного коду характерні всім живих організмів.

   Кодон	Універсальний код	Мітохондріальні коди
   		Хребетні	Безхребетні	Дріжджі	Рослини
   UGA	STOP	Trp	Trp	Trp	STOP
   AUA	Ile	Met	Met	Met	Ile
   CUA	Leu	Leu	Leu	Thr	Leu
   AGA	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg
   AGG	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg

   Останнім часом принцип універсальності коду похитнувся у зв'язку з відкриттям Береллом в 1979 р. ідеального коду мітохондрій людини, в якому виконується правило виродженості коду. У коді мітохондрій кодон UGA відповідає триптофану, а AUA - метіоніну, як цього вимагає правило виродженості коду.

   Можливо, на початку еволюції у всіх найпростіших організмів був такий самий код, як і у мітохондрій, а потім він зазнав невеликих відхилень.

9. Неперекриваність- кожен із триплетів генетичного тексту незалежний один від одного, один нуклеотид входить до складу лише одного триплету; На рис. показана різниця між кодом, що перекривається і неперекривається.

   У 1976р. була секвенована ДНК фага Х174. У нього одноланцюжкова кільцева ДНК, що складається з 5375 нуклеотидів. Було відомо, що фаг кодує 9 білків. Для 6 з них було визначено гени, що розташовуються один за одним.

   З'ясувалося, що є перекривання. Ген Е повністю знаходиться всередині гена D. Його кодон, що ініціює, з'являється в результаті зсуву зчитування на один нуклеотид. Ген J починається там, де закінчується ген D. Ініціюючий кодон гена J перекривається з термінуючим кодоном гена D в результаті зсуву на два нуклеотиди. Конструкція називається "зсув рамки зчитування" на число нуклеотидів, неразове трьом. На сьогоднішній день перекривання показане лише для кількох фагів.

10. Перешкодостійкість- Відношення числа консервативних замін до радикальних замін.

    Мутації замін нуклеотидів, що не призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають консервативними. Мутації замін нуклеотидів, що призводять до зміни класу амінокислоти, що кодується, називають радикальними.

    Так як одна і та ж амінокислота може кодуватися різними триплетами, деякі заміни в триплетах не призводять до заміни кодованої амінокислоти (наприклад UUU -> UUC залишає фенілаланін). Деякі заміни змінюють амінокислоту на іншу з того ж класу (неполярний, полярний, основний, кислотний), інші заміни змінюють і клас амінокислоти.

    У кожному триплеті можна здійснити 9 одноразових замін, тобто. вибрати, яку з позицій змінюємо - можна трьома способами (1-а або 2-а або 3-я), причому обрану літеру (нуклеотид) можна поміняти на 4-1 = 3 інші літери (нуклеотид). Загальна кількість можливих замін нуклеотидів – 61 по 9 = 549.

    Прямим підрахунком таблиці генетичного коду можна переконатися, що з них: 23 заміни нуклеотидів призводять до появи кодонів - термінаторів трансляції. 134 заміни не змінюють амінокислоту, що кодується. 230 замін не змінюють клас амінокислоти, що кодується. 162 заміни призводять до зміни класу амінокислоти, тобто. є радикальними. Зі 183 замін 3-го нуклеотиду, 7 призводять до появи термінаторів трансляції, а 176 - консервативні. Зі 183 замін першого нуклеотиду, 9 призводять до появи термінаторів, 114 - консервативні і 60 - радикальні. Зі 183 замін 2-го нуклеотиду, 7 призводять до появи термінаторів, 74 – консервативні, 102 – радикальні.