Генетический код. Универсальность генетического кода

Информация о первичной структуре полипептидов (последовательности аминокислот) записана в ДНК в виде трехбуквенного кода, составленного из первых букв названий четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК (А, Т, Г, Ц). Каждой аминокислоте соответствует определенный триплет из трех соседних нукле-отидов.

Из 64 возможных триплетов 61 кодирует 20 аминокислот, обнаруженных в составе клеточных белков, а 3 кодона являются стоп--сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Если триплет, соответствующий метионину, стоит в начале цепи ДНК, то он выполняет функцию возбуждения считывания. Генетический код вырожден, т.е. каждая аминокислота может кодироваться несколькими вариантами триплетов. Для осуществления синтеза полипептидов генетическая информация, закодированная в ДНК в составе хроматина, переписывается (процесс транскрипции) по принципу комплементарности азотистых оснований на информационную РНК, которая переходит из ядра в цитоплазму, где принимает участие в процессе трансляции — переводе информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, т.е. процессе синтеза белка. Каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота. Процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без знаков препинания и пропусков. Положение первого кодона определяет границы рамки считывания. Генетический код человека не отличается по каким-либо параметрам от генетического кода других эукариотических организмов.

В пределах одного гена, который кодирует полипептид, участок молекулы ДНК подразделяется на функционально различные единицы (рис. 6). Отличительная черта строения многих генов эука-риот — прерывистость структуры смысловой части. Смысловые участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке — экзоны, чередуются с участками некодирующих последовательностей — интронами.

Процесс транскрипции на ДНК как на матрице связан с синтезом комплементарной последовательности РНК, включающей и интроны, и экзоны. В ходе созревания РНК в ядре из нее удаляются интроны, а концы соседних экзонов сшиваются стык в стык. Процесс удаления последовательностей РНК, соответствующих интро-нам, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов называется сплайсингом. Созревшая м-РНК выходит в цитоплазму, соединяется с рибосомой, где генетическая информация транслируется в белковую последовательность.

В начале каждого гена (до представленной экзонами его смысловой части) находятся участки, которые обеспечивают регуляцию работы гена, в частности, способствуют правильной установке рамки считывания нуклеотидов.

По данным разных авторов, содержание ДНК в диплоидной клетке человека составляет примерно 7,3 * 10~¹² г, что соответствует 7,1 * 10⁹ нуклеотидных пар. Каждая молекула ДНК гетерогенна по своему составу. В ней встречаются участки с уникальной последовательностью азотистых оснований, которые несут информацию для большинства белков клетки. В то же время в ней встречаются последовательности нуклеотидов, многократно повторяющиеся в геноме в составе этой же или других молекул ДНК. Их подразделяют на два класса. Первый — умеренно повторяющиеся последовательности с числом повторов от 10² до 10⁵ на геном. На их долю приходится примерно четверть ДНК, и они представляют собой блоки истинных генов или выполняют структурные и регуляторные функции внутри генов. Второй класс — часто повторяющиеся последовательности, или сателлитные ДНК, число повторов которых на геном превышает миллион (1 * 10⁶) раз. Это нетранскрибирующие-ся участки ДНК, выполняющие структурные функции.

Кариотип. Общая организация хромосом человека традицион-на: в метафазе хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой, которая делит хроматиду на два плеча. Плечи могут быть равными, тогда хромосома называется метацен-трической. Если одно плечо немного короче другого, то хромосома именуется субметацентрической. В нескольких парах хромосом человека одно плечо сильно короче другого, такие хромосомы носят название акроцентрических. Тонкая морфология хромосом зависит от фазы митоза. Наиболее сильно спирализованы хромосомы в мета-и анафазе.

При стандартных методах окрашивания хромосомы человека систематизируют на классы, учитывая размеры, относительную длину плечей, положение центромеры и центромерный индекс, который отражает отношение (%) длины короткого плеча к длине всей хромосомы. Каждая пара гомологичных хромосом имеет свой номер, а все 23 пары хромосом человека разбивают на 7 групп (рис. 3). В группу А (1—3) входят пары наиболее крупных метацентричес-ких аутосом. Группа В (4—5) объединяет две пары субметацентри-ческих хромосом, не различимых между собой. Группа С (6—12) содержит семь пар аутосом среднего размера. Размеры и форма этих хромосом неодинаковы, однако стандартные методы окрашивания не позволяют их идентифицировать. В группу D (13—15) объединены три пары акроцентрических хромосом среднего размера, морфологически сходных между собой. Все хромосомы группы D содержат спутник, который не всегда выявляется, может быть очень большим, а иногда и двойным. Длина короткого плеча этих хромосом также изменчива. К группе Е (16—18) относятся три пары почти метацентрических хромосом, из которых в 16-й паре центромера наиболее близка к середине, а две другие пары не отличимы друг от друга. Группа F содержит мелкие метацентрические аутосомы (19—20), группа G — мелкие акроцентрические (21—22). Внутри групп F и G пары хромосом неразличимы. Длина коротких плечей у них изменчива, как и у хромосом группы D. Короткие плечи хромосом групп D и G содержат районы ядрышкового организатора. Перечисленные 22 пары хромосом относятся к аутосомам, одинаковым у мужчин и женщин.

Половые хромосомы составляют 23-ю пару. У женщин — это две Х-хромосомы. У мужчин — Х- и Y-хромосомы. Половая Х-хромо-сома неотличима от аутосом группы С. При стандартном окрашивании она включается в состав этой группы. Мужская половая Y-хромосома является акроцентрической, сходна по морфологии с хромосомами группы G, но ее легко отличить по морфологическим критериям. Длина короткого плеча У-хромосомы изменчива и индивидуальна. Причем варианты длины плеча наследуются от отца к сыну. Y-Хромосома, в отличие от хромосом последней группы, не

имеет спутников.

Анализ препаратов хромосом человека показал, что в ряде случаев, как уже говорилось выше, на некоторых хромосомах могут существовать вторичные перетяжки. Спутничными перетяжками обладают все акроцентрические хромосомы (пары 13,14,15,21,22). Вторичная перетяжка бывает также в аутосомах пары 9. В них она располагается в околоцентромерном районе длинного плеча.

Современные цитогенетические методики позволяют идентифицировать по морфологии все пары хромосом на препарате, а в ряде случаев и хромосомы внутри одной пары. Суть этих методик состоит в дифференциальном окрашивании нативных хромосом по длине, что обеспечивается сравнительно простыми температурно-солевыми воздействиями на фиксированные хромосомы или использованием специфических красителей. Дифференциальное окрашивание приводит к появлению линейного рисунка в виде полос по длине хромосомы.

Индивидуальная совокупность полос, различающихся по ширине и интенсивности окрашивания, образует цитологическую карту каждой хромосомы. При описании кариотипа на каждой метафаз-ной хромосоме буквами латинского алфавита р и q обозначают соответственно короткое и длинное плечо, а затем номера сегментов. Принятые обозначения используют также для описания хромосомных перестроек. Например, кариотип мужчины с увеличением сегмента 21 -й хромосомы в коротком плече 5-й хромосомы следует записать: 46, XY,+5р21.

Основанные на дифференциальном окрашивании хромосом цитологические карты имеют исключительное значение для развития цитогенетики человека. С помощью этих карт стало реальным выяснение происхождения аномальных хромосом, вплоть до точного описания, какие конкретно районы вовлекаются в ту или иную форму хромосомного нарушения. На международных совещаниях по номенклатуре в цитогенетике человека была разработана и введена в практику система обозначения сегментов нормальных хромосом и хромосом, подвергшихся тем или иным структурным перестройкам. Половой хроматин. В соматических клетках женщин половой хроматин выявляется в виде гетерохроматина — небольшой, хорошо окрашиваемой структуры округлой формы размером 0,8— 1,1 мкм, находящейся возле ядерной мембраны (рис. 7), которую называют также тельцем Барра. Половой гетерохроматин — это одна из Х-хромосом, находящаяся в неактивном (суперспирализован-ном) состоянии.

Известно, что фенотипически пол у человека определяется наличием или отсутствием Y-хромосомы, а не количеством Х-хромосом. Если в кариотипе зиготы присутствует хотя бы одна Y-хромосома, то по фенотипу формируется мужчина. Количество телец Барра в клетках всегда на одно меньше, чем число Х-хромосом. То есть только одна Х-хромосома в соматических клетках человека (и мужчины, и женщины) всегда находится в активном состоянии. В норме женщина имеет две, а мужчина одну Х-хромосому. В связи с этим инактивация второй Х-хромосомы у женщин в виде полового гетерохроматина служит механизмом компенсации различий в дозе генов, не оказывающих влияния на развитие половых признаков и признаков, сцепленных с Х-хромосомой. Этот же механизм оказался фактором, благоприятствующим носителям Х-хромосом-ных анеуплоидий. Какое бы количество Х-хромосом они не несли, генетически активна только одна. Остальные же Х-хромосомы существуют в виде факультативного полового гетерохроматина. Поэтому по количеству телец Барра в соматических клетках можно диагностировать патологическую форму дисбаланса по половым хромосомам. Например, у женщин с кариотипом 47, XXX обнаруживаются два тельца Барра, а с кариотипом 45, Х0 не обнаруживается ни одного. У мужчин с кариотипом XXY — одно.последовательность нуклеотидов в начале участка молекулы ДНК, хранящего информацию об этом белке (генетический код прилагается).