Книга: Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

В основе механизма наследственности лежит простое правило спаривания оснований

В основе механизма наследственности лежит простое правило спаривания оснований

Другой важный принцип, управляющий механизмом наследственности, это правило спаривания оснований (нуклеотидов), входящих в состав ДНК: всегда А соединяется с Т; a G — с С.

Во всех живых клетках генетическая информация зашифрована в последовательности оснований ДНК. Длинная линейная цепь ДНК представляет собой ряд нуклеотидов, различающихся по азотистым основаниям, входящим в их состав. Основания принято обозначать буквами A, G, С и Т (табл. 1.2). Порядок нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислот в белке. Поясним это.

Трехмерная структура ДНК была открыта в 1953 г. Джеймсом Уотсоном (Watson) и Фрэнсисом Криком (Crick). За это открытие, послужившее началом новой эпохи в биологии, в 1962г. ученые получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Оказалось, что структура ДНК чрезвычайно проста и придает этой молекуле такие свойства, которые делают ее главным кандидатом на роль носителя наследственной информации. ДНК состоит из двух комплементарных цепей, закрученных друг относительно друга так, что образуется знаменитая «двойная спираль» (рис. 2.3). Каждая цепь представлена последовательностью повторяющихся нуклеотидов, включающих азотистые основания А (аденин), G (гуанин), С (цитозин) и Т (тимин).

Две цепочки ДНК идут антипараллельно по отношению друг к другу и спарены основаниями. Спаривание оснований определяет стабильность и высокую точность копирования генома. Двухцепочечная ДНК более стабильна и труднее разрушается, чем одноцепочечные ДНК или РНК. Правило спаривания оснований гласит: если в одной цепочке находится А то, в другой в том же положении будет находиться Т; если в одной цепочке находится G, то в другой будет С. Например, если порядок оснований в одной цепочке 5'—AGCTAT—3', то в другой, комплементарной, порядок будет 3'—TCGATA—5'. To есть, цепочки антипараллельны и комплементарны друг другу. Символы концов цепочек 5' и 3' (произносится «пять штрих» и «три штрих») объяснены в таблице 1.2.

Рис. 2.3. Два способа изображения двухцепочечной ДНК. Слева показана двойная спираль, имеющая две спаренные основаниями комплементарные цепи. Цепи в правозакрученной спирали антипараллельны, т.е. направление одной — от 5' к 3', другой — от 3' к 5'. Обратите внимание, что там, где в одной цепи находится основание аденин (А), в комплементарной цепи в той же позиции находится тимин (Т); там где в одной цепи находится основание гуанин (G), в комплементарной цепи в той же позиции присутствует цитозин (С). Основания являются частью нуклеотида, содержащего углевод рибозу. Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирной связью, образующей остов каждой цепи Для удобства молекулу ДНК (всегда подразумевается, что она двухцепочечная, если не сказано иначе) изображают в упрощенной двумерной форме (справа). При репликации цепи раскручиваются, освобождая матричную последовательность свободных (неспаренных) оснований, по которой ДНК-полимераза строит комплементарную цепь (рис. 2.4, Б).

Именно в этом заключается чрезвычайно простой закон, определяющий структуру ДНК. Открытию правила спаривания оснований способствовали эмпирические данные Эрвина Чаргаффа (Chargaff), полученные в 1940-х годах. Анализируя химический состав ДНК, он показал, что во всех препаратах ДНК, выделенных из разных организмов, число молекул А всегда равно числу молекул Т; и точно также, число молекул С всегда равно числу молекул G. Эта закономерность была названа «правилом Чаргаффа». Чаргаффу, однако, не удалось связать полученные данные со структурой ДНК и механизмом наследственности. В полной мере оценить результаты Чаргаффа стало возможным лишь после открытия двойной спирали. В истории науки немало других примеров, когда важная информация не оказывает никакого влияния и «скрыто» лежит до тех пор, пока где-то вдохновенная созидательная интуиция не откроет ее истинную цену.

Правило спаривания оснований и антипараллельное расположение комплементарных цепочек объясняют, как создается дочерняя молекула с идентичной родительской последовательностью оснований (и, следовательно, содержащейся в ней информацией). Если цепочки разделить, можно предположить, что последовательность 3'—TCGATA—5' может служить матрицей для выстраивания в линию сначала А, затем G, затем С, затем Т и так далее до образования комплементарной последовательности 5'—AGCTAT—3' (рис. 2.3). Обьга-но копирование ДНК происходит с чрезвычайно большой скоростью и точностью. Однако в некоторых случаях имеют место ошибки, изменяющие последовательность оснований. Такие ошибки называются мутациями. Они создают наследственную изменчивость, на которую действует естественный отбор.

Итак, если линейную информационную макромолекулу ДНК сравнить с длинными полосами лент, которые использовали в первых компьютерах, то ДНК хромосом можно представить как последовательность миллионов букв (оснований). В этих последовательностях закодирован весь набор инструкций, представляющих генетический материал всех живых клеток на Земле. Проект «Геном человека» поставил целью определить порядок этих букв во всех 22 парах аутосом и в двух половых хромосомах человека. Этой работой занимается целый ряд специализированных лабораторий мира, владеющих методами клонирования и секвенирования генов. В общедоступных базах j данных и в персональных компьютерах молекулярных биологов хранятся сотни файлов, содержащих информацию о тысячах (может быть, миллионах) последовательностей ДНК. Достижения компьютерных технологий дают возможность биологам манипулировать последовательностями (например, искать определенную последовательность, разрезать ее или вставлять дополнительную информацию). Можно смело утверждать, что для появления ряда новых открытий молекулярной биологии р было необходимо развитие современных компьютерных технологий (табл. 2.1).