Кошки, гены и эволюция - Павел Михайлович Бородин

Последовательность нуклеотидов в ней определяет, каким будет белок и как он будет работать. мРНК поступает из ядра клетки в цитоплазму и там немедленно присоединяется к молекулярному станку – рибосоме. И тут происходит самое интересное.

Рибосома состоит из двух субъединиц, построенных из РНК и белков. Эти субъединицы формируют кольцо, через которое продергивается мРНК. Мимо рибосомы проплывают другие молекулы РНК, которые называются транспортными (тРНК), и не зря: они транспортируют отдельные аминокислоты – каждая свою – к рибосоме.

Устроены тРНК довольно забавно – в форме трехлепесткового клеверного листа. К черешку листа прикрепляется аминокислота. Сам черешок образуется из-за склеивания начала и конца молекулы тРНК. Почему они склеиваются? Потому что аденин обладает химическим сродством к урацилу, а гуанин – к цитозину. Как только эти пары оказываются рядом, они непременно слипаются довольно слабыми и не очень стабильными водородными связями. Такие пары называют комплементарными. То есть если в начале молекулы находится последовательность АУГУЦАЦГ, а в конце УАЦАГУГЦ, то они обязательно соединятся друг с другом и образуют черешок. Такие же, но более короткие комплементарные последовательности образуют основания лепестков транспортных РНК.

Но самый важный элемент тРНК – это вершина центрального лепестка. На нем выставлены наружу и ни с чем не связаны три нуклеотида. Назовем их антикодоном. Ими-то и прицепляется тРНК к кодону – трем торчащим комплементарным нуклеотидам вставленной в рибосому матричной РНК: А к У, Г к Ц. Когда антикодоны двух тРНК присоединяются к следующим друг за другом кодонам мРНК, то две аминокислоты, прицепленные к черешкам этих тРНК, оказываются рядом друг с другом. Как только это происходит, аминокислота с первой тРНК (по ходу движения мРНК через рибосому) приклеивается к аминокислоте на второй, отваливаясь от своей тРНК. Затем мРНК продвигается на один кодон, и первая тРНК, в свою очередь, отваливается от рибосомы, освободив место для следующей транспортной РНК. Так одна за другой к мРНК приходят тРНК, и цепь из аминокислот растет (полимеризуется).

Нуклеотидная последовательность мРНК преобразуется, переводится (транслируется!) в последовательность из аминокислот (всего существует 20 канонических, то есть используемых при построении подавляющего большинства белков, аминокислот, хотя сейчас только природных аминокислот известно несколько сотен, а синтетических и того больше). Процесс перевода генетической информации с языка РНК на язык белков называется трансляцией.

Вся прелесть трансляции в том, что есть очень строгое соответствие между тройкой нуклеотидов на лепестке транспортной РНК (антикодоном) и аминокислотой, которую эта молекула носит на себе. Например, УУУ несет лизин, а ЦЦЦ несет глицин. Это соответствие однозначное и не допускает двусмысленных толкований. УУУ несет только лизин, один лизин и ничего кроме лизина. Но фокус в том, что лизин несет еще и ЦУУ, а глицин кроме ЦЦЦ могут приносить еще АЦЦ, УЦЦ и ГЦЦ. То есть одни и те же аминокислоты могут кодироваться разными тройками нуклеотидов.

Существует несколько десятков опубликованных гипотез о том, как возник код и почему он именно такой. Еще есть несколько сотен неопубликованных гипотез на этот счет. Так что, если у вас уже была своя гипотеза или она родилась по прочтении этой главы, пожалуйста, делайте с ней что хотите, только нам не посылайте. Потому что у нас есть своя гипотеза, которая нам очень дорога. А в чем она, мы вам не скажем и будем надеяться на взаимность.

Вернемся к нашему коту. Итак, он имеет сиамскую окраску, потому что у него в меланоцитах содержится дефектная тирозиназа, которая нормально катализирует синтез меланина только при пониженной температуре. Дефектная она потому, что у нее в активном центре вместо глицина находится аргинин. А почему он там находится?

Потому что его туда всегда в процессе трансляции ставят аргининовые транспортные РНК, присоединившись аргининовым антикодоном АГГ к аргининовому кодону УЦЦ тирозиназной матричной РНК.

То есть все дело в том, что где-то в молекуле тирозиназной матричной РНК у сиамского кота изменен кодон. Он должен был быть глициновым, а оказался аргининовым. Мы даже знаем где. В 422-й позиции от начала молекулы стоит урацил, а должен был быть цитозин. Как он там оказался?

ДНК для РНК тирозиназы

Из школьного курса мы помним, что РНК считывается с ДНК. Ох уж эти метафоры!!! Считывается!!! Когда мы слышим эту фразу на экзамене, мы ласково спрашиваем: “Как это – считывается?” И гораздо чаще, чем нам хотелось бы, слышим в ответ: “Ну как, РНК подходит к ДНК и считывается!” Забудьте это слово. Вообще аккуратнее с метафорами. Школьники и студенты склонны воспринимать их буквально.

Рис. 1–1. Транскрипция (синтез матричной РНК) и трансляция (синтез белка).

Конечно же, ничего там не считывается. Предшественник матричной РНК (пре-мРНК) синтезируется на двухцепочечной ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоте) на основе того же принципа комплементарности, о котором мы уже говорили, только вместо у́рацила (У) в ДНК содержится тимин (Т): Т к А, А к Т, Г к Ц и Ц к Г.

Свободные нуклеотиды присоединяются к своим партнерам на ДНК с помощью специального фермента – РНК-полимеразы, – который также выполняет и их полимеризацию – продольную сшивку. Процесс перевода генетической информации с языка ДНК на язык РНК называется транскрипцией. Чтобы вы не запутались в транскрипциях-трансляциях, мы нарисовали общий рисунок 1–1, где показаны эти два процесса вместе.

Интерлюдия о геноме

Велик и знаменателен оказался для котов год по Рождеству Христову 2007-й, от начала же геномной революции седьмой. Был он обилен открытиями, главное же из которых – расшифровка кошачьего генома11. И стала в тот год кошка седьмым по счету видом млекопитающих, после человека, шимпанзе, мыши, крысы, собаки и коровы, который смог похвастаться “прочитанным”, или секвенированным, геномом.

Геном организма – это совокупность его ДНК, его генетический багаж. Этот багаж уложен в отдельные чемоданы – хромосомы, которые представляют собой сложные комплексы из ДНК и упаковочных белков. Хромосомы отличаются друг от друга по размерам и расположению плотно и рыхло упакованных районов. Активные гены, как правило, находятся в рыхло упакованных районах. Это облегчает доступ к ним определенных ферментов, о которых мы поговорим позже.

Донором ДНК для полной расшифровки генома стала четырехлетняя абиссинская кошка по кличке Корица (англ. Cinnamon). Корица вместе с несколькими другими кошками жила в колледже ветеринарной медицины при Университете Миссури. Она была застенчивой и робкой и предпочитала тихо сидеть в сторонке, пока другие кошки веселились и играли. Судьба выдала ей редкий шанс, и теперь имя Корица навсегда вписано в историю изучения генома домашней кошки.

Что значит прочтение или секвенирование генома? Это определение последовательности нуклеотидов в ДНК всех хромосом. Еще 20 лет назад секвенирование генома было сложным, долгим и финансово довольно затратным мероприятием,