Генетичний код

Лекція № 4. Організація ДНК у клітинах: геноми та структура хроматину

1. Організація геномів

1.1. Генетичний код

1.2. Гени

1.3. Геноми

2. Молекулярна організація хроматину

2.1. Нуклеосома

2.2. Посттрансляційні модифікації гістонових хвостів

2.3. Гістон Н1

2.4. Наднуклеосомна упаковка хроматинової фібрили

2.5. Петльові домени хроматину та ядерний матрикс

Організація геномів

Генетичний код

У послідовності нуклеотидів ДНК записана інформація про послідовність амінокислот у складі білків. Відповідність між цими двома типами текстів – між комбінаціями нуклеотидів і амінокислотами – називається генетичним кодом. Загальна кількість комбінацій по два нуклеотиди із чотирьох дорівнює 16, а по три – 64. Тобто мінімальна кількість нуклеотидів у одному слові нуклеотидного тексту, оскільки такими словами потрібно закодувати 20 амінокислот, має дорівнювати трьом. Саме це й спостерігається: одне слово – кодон – являє собою триплет нуклеотидів.

Послідовності всіх 64 кодонів (у напрямку від 5′ до 3′ кінця у складі мРНК) наведено на рис. 1. Серед 64 кодонів три є сигналами зупинки синтезу білка (стопкодони, або нонсенскодони), решта – 61 змістовний кодон – відповідають двадцяти амінокислотам. Співвідношення між кодонами та амінокислотами є однозначним: певний триплет кодує одну і тільки одну певну амінокислоту. Зворотне співвідношення не є однозначним: більшість амінокислот кодуються кількома триплетами – код є виродженим. Дві амінокислоти – Trp і Met невироджені й кодуються лише одним кодоном кожна. Усі інші 18 амінокислот кодуються серіями кодонів синонімів – від двох дошести кодонів на серію.

Рис. 1. Таблиця генетичного коду.

Якщо розглянути триплети синонімічних серій, стає очевидним, що три позиції кодона нерівнозначні:

• Найважливішою для визначення змісту кодона є комбінація нуклеотидів у першій і другій позиції, при цьому друга позиція визначає зміст кодона найбільш жорстко – нуклеотидні заміни по другій позиції завжди приводять до зміни змісту (амінокислотної заміни).

• Найменш змістовною є третя позиція – нуклеотидні замінив ній у 70 % випадків не приводять до зміни змісту кодона.

Залежно від того, який нуклеотид стоїть у другій позиції, усі кодони та відповідні амінокислоти можна розділити на чотири групи (чотири стовпчики в таблиці коду на рис. 1). Виявляється, що до групи U (урацил у другій позиції) належать гідрофобні амінокислоти великого розміру з повністю аліфатичними боковими залишками. Тобто нуклеотидні заміни в першій та третій позиціях у межах цієї групи не викликають зміни властивостей амінокислоти, мінімізуючи вплив таких амінокислотних замін на просторову структуру білка. До групи А належать великі полярні амінокислоти (за виключенням Tyr, але й він, хоча загалом гідрофобний, також здатен утворювати водневий зв’язок). Група С сформована маленькими амінокислотами. До групи G потрапляють амінокислоти з екстремальними властивостями: найбільша гідрофобна – Trp, найбільша полярна – Arg, найбільш реакційноздатна – Cys, найменша – Gly.

Генетичний код є досить універсальним – наведена таблиця коду реалізується як для бактерій, так і для ссавців. Однак у деяких випадках (окремі прокаріоти, гриби, водорості, а також автономна генетична система мітохондрій) спостерігаються невеличкі відхилення від цієї універсальної таблиці.

Рис. 2. Три можливі рамки зчитування, одна з яких (позначена червоними дужками) є відкритою.

При синтезі білка триплети зчитуються з нуклеотидного тексту один за одним: сусідні триплети не перекриваються, і між ними відсутні проміжки. Відповідно, будь яка послідовність нуклеотидів може бути прочитана трьома різними способами – містить три рамки зчитування (рис. 2). Рамка, що знаходиться між стартовим (частіше як стартовий використовується метіоніновий кодон AUG) і стопкодоном, називається відкритою рамкою зчитування (ORF, open reading frame).

Гени

Відкрита рамка зчитування (кодуюча послідовність), яка містить інформацію про амінокислотну послідовність білка, є найважливішою змістовною частиною гена (gene). Але для того, щоб відбулась експресія генетичної інформації (через синтез РНК і далі – білка), не менш важливими є регуляторні послідовності ДНК, які за рахунок спорідненості до специфічних білків використовуються для вмикання / вимикання транскрипції як першої стадії експресії гена. Отже,визначення гена можна сформулювати так: ген – це ділянка ДНК, яка є необхідною і достатньою для повноцінного синтезу функціональної молекули РНК. Ділянка ДНК, яка може вважатися геном, має містити кодуючу послідовність, де записана інформація про продукт, а також певний набір регуляторних елементів послідовності, від яких залежить запуск / блокування процесу транскрипції, шлях зчитування інформації тощо. Згідно з визначенням міжнародного консорціуму онтології послідовностей (Sequence Ontology Consortium), ген – це певна визначена зона послідовності ДНК, яка відповідає одиниці спадковості та асоційована з регуляторними ділянками, ділянками, що транскрибуються, та / або іншими функціональними ділянками послідовності.

Одним із найважливіших типів продуктів транскрипції генів є мРНК – матричні РНК (messenger RNA, mRNA), які використовуються далі як матриці для синтезу білків (піддаються трансляції). У цьому випадку білок є кінцевим продуктом гена, який, відповідно, називається білковим. Крім того, досить велика кількість генів кодує різноманітні молекули РНК, які не піддаються трансляції (є кінцевими продуктами): рРНК – рибосомні РНК (ribosome RNA, rRNA); тРНК – транспортні РНК (transfer RNA, tRNA); маленькі ядерні РНК (small nuclear RNA, snRNA); маленькі ядерцеві РНК (small nucleolar RNA, snoRNA); мікро-РНК (micro RNA, miRNA), молекули РНК, які є компонентами деяких ферментів; інші види РНК, не для всіх із яких з’ясовано їхні функції.

Геноми

ДНК, що міститься у клітині, – це не тільки гени: принаймні мають бути з’єднуючі міжгенні ділянки. Сукупність послідовностей ДНК у гаплоїдному наборі даного організму називається геномом. На сьогодні повністю розшифровані послідовності більше 600 прокаріотичних і 80 еукаріотичних геномів. Головна відмінність між ними полягає в тому, що в прокаріотичних геномах кодуючі послідовності становлять до 95 %, тоді як частка кодуючих послідовностей у геномах еукаріотів не перевищує 3 %. Розміри деяких геномів і оцінка кількості білкових генів у їхньому складі наведені в табл. 1.

Таблиця 1.