Раздел I. Теоретические основы общей и медицинской генетики

Глава 1. Вопросы молекулярной генетики

1.1. Структура и функции нуклеиновых кислот. Строение молекул ДНК и РНК

Молекула нуклеиновой кислоты представляет собой полимер (полинуклеотид), состоящий из последовательно соединенных друг с другом мономеров (нуклеотидов). В свою очередь, каждый нуклеотид представляет собой соединение, в котором присутствуют различные молекулы: остаток фосфорной кислоты (фосфат), углевод (пентоза) и азотистое основание (пуриновое либо пиримидиновое).

Нуклеотиды молекул ДНК (дезоксирибонуклеотиды) содержат углевод дезоксирибозу и одно из четырех азотистых оснований – аденин (сокращенно обозначается символом А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), первые два из которых являются производными пурина, а два последних – производными пиримидина. В состав нуклеотидов РНК (рибонуклеотидов) входит пентоза — рибоза и также одно из четырех азотистых оснований — А, Г, урацил (У) и Ц. Атомы углерода в пентозе пронумеровывают индексами от 1' до 5' (рис.1). Присоединение азотистого снования происходит к первому углеродному атому (1') пентозы с помощью N -гликозидной связи. Соединение, состоящее из углевода (пентозы) и азотистого основания, называется нуклеозидом (рис. 2), а соединение остатка фосфорной кислоты с 3' или 5' углеродными атомами пентоз путем фосфодиэфирных мостиков называется сахарофосфатным остовом. Именно за счет фосфодиэфирных мостиков происходит формирование полинуклеотидной цепочки, когда к пентозе одного нуклеотида присоединяется фосфат другого нуклеотида (рис. 2). При этом в зависимости от порядкового номера углеродного атома (3' либо 5') концевой молекулы пентозы полинуклеотидная цепочка имеет маркированный 3'-конец и 5'-конец.

В 1953 году произошло знаменательное событие, которое послужило началом расшифровки информации, содержащейся в молекулах ДНК. При изучении препаратов ДНК, полученных из клеток организмов разных видов, Э.Чаргафф установил правило эквивалентности, согласно которому почти в любом образце ДНК молярное содержание аденина практически равно молярному содержанию тимина, а содержание гуанина равно содержанию цитозина, т. е. А = Т и Г = Ц. Вместе с тем соотношение пар А – Т и Г – Ц (показатель (А+Т)/(Г+Ц) имело значительные колебания при сравнении образцов ДНК из организмов разных видов.

Согласно модели Уотсона и Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, соединенных друг с другом с помощью поперечных водородных связей между азотистыми основаниями по комплементарному принципу. Так, аденин одной цепочки соединяется двумя водородными связями с тимином противоположной цепочки, а гуанин и цитозин разных цепочек соединены друг с другом тремя водородными связями. При этом две полинуклеотидные цепочки одной молекулы являются антипараллельными, т.е. напротив 3'-конца одной цепочки находится 5'-конец другой цепочки и наоборот.

На основании данных рентгеноструктурного анализа ДНК Дж. Уотсон и Ф. Крик сделали заключение, что двухцепочечная молекула имеет форму спирали, закрученную слева направо (А – форма, или вторичная структура) (рис. 3).

– фосфат; – углевод (пентоза); – основание (А–аденин, Т-тимин, Г–гуанин, Ц – цитозин)

Рис. 3. Схема структуры участка молекул ДНК

В настоящее время известно, что в некоторых участках ДНК можно обнаружить не только правозакрученную спираль (формы А, В, С), но и левозакрученную (Z -форму). Между этими формами вторичной структуры ДНК имеются определенные различия. Так, например, расстояние между двумя соседними парами азотистых оснований в двухцепочечной спирали для В -формы и Z -формы характеризуется разными величинами (0,34 и 0,38 нм соответственно). Молекулы РНК в отличие от ДНК имеют одну полинуклеотидную цепочку и в зависимости от своих структурно-функциональных особенностей подразделяются на несколько типов: информационые (матричные) РНК (иРНК, или мРНК), рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК). В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого вида, которая называется малой ядерной РНК. Молекулы РНК могут формировать и сложные конфигурации за счет комплементарного соединения азотистых оснований (А—У, Г—Ц) отдельных участков своей цепочки. Примером такой конфигурации является молекула тРНК, имеющая форму «листа клевера».

1.2. Репликация ДНК.

Расшифровка структуры молекулы ДНК помогла объяснить и принцип ее репликации (удвоения) в клетке. Этот принцип состоит в том, что каждая из двух полинуклеотидных нитей молекулы ДНК служит в качестве матрицы для синтеза новой (комплементарной) нити. Такой принцип репликации ДНК был назван полуконсервативным (рис. 4). В соответствии с этим принципом нуклеотидная последовательность матричной (родительской) нити считывается в направлении 3'→ 5', а синтез новой (дочерней) нити идет в направлении 5'→ 3 '. Поскольку две комплементарные цепочки родительской молекулы ДНК являются антипараллельными, то синтез новой полинуклеотидной цепочки на каждой из них идет в противоположном направлении форме.

У многих вирусов и бактерий, имеющих небольшую кольцевую молекулу ДНК, имеется лишь одна точка начала (инициации) репликации (О-пункт, состоящий примерно из 300 нуклеотидов). В этой точке начинается процесс расхождения (расплетания) двух нитей родительской молекулы и сразу же процесс матричного синтеза комплементарных копий (реплик) дочерней ДНК. Этот процесс продолжается непрерывно по длине копируемой структуры и заканчивается в этом же репликоне образованием двух молекул «полуконсервативного» типа. В больших линейных молекулах ДНК эукариот имеется много точек начала репликации и соответствующих им репликонов (от нескольких сотен до десятков тысяч), т.е. такая ДНК является полирепликонной.

В механизме репликации ДНК у эукариот можно условно выделить три последовательных этапа, которые происходят в репликоне.

I этап связан с быстрым раскручиванием двух полинуклеотидных нитей спирализованной молекулы ДНК на определенном ее участке (в границах работающего репликона) и с их разделением путем разрушения водородных связей между парами комплементарных оснований. При этом образуются два одноцепочечных фрагмента родительской молекулы, каждый из которых выступает в роли матрицы для синтеза комплементарной (дочерней) нити.

Этот этап инициируется в соответствующей точке начала репликации и обеспечивается комплексным участием нескольких различных белков. В результате их действия формируется Г-образная структура, названная вилкой репликации, в которой две родительские цепочки ДНК уже отделены друг от друга. Образовавшаяся вилка репликации быстро продвигается вдоль двойной спирали родительской молекулы ДНК благодаря активности «расплетающего» фермента ДНК - геликазы и при участии группы дестабилизирующих белков (рис. 5). Дестабилизирующие белки связываются только с одноцепочечными (уже раскрученными и разделенными) участками молекулы, препятствуя возникновению на них вторичных складчатых образований («шпилек») за счет случайных соединений между комплементарными нуклеотидами однонитевой структуры. Этот процесс способствует выпрямлению однонитевых участков молекулы, что необходимо для нормального выполнения ими матричных функций.

Быстрое расплетание ДНК с помощью геликазы без дополнительного вращения нитей по отношению друг к другу должно приводить к образованию новых витков (узлов) на участках родительской молекулы перед движущейся вилкой репликации, создающих повышенное топологическое напряжение на этих участках. Такое напряжение устраняется еще одним белком ДНК —-топоизомеразой, который, перемещаясь вдоль двухспиральной родительской ДНК перед вилкой репликации, вызывает временные разрывы в одной из цепочек молекулы, разрушая фосфодиэфирные связи и присоединяясь к разорванному концу. Возникший разрыв обеспечивает последующее вращение нити двойной спирали, что в свою очередь приводит к расплетанию образующихся супервитков (узлов). Разрывы полинуклеотидной цепочки, вызванные топоизомеразой, носят обратимый характер, а разорванные концы после раскручивания быстро воссоединяются после разрушения комплекса этого белка с разорванным концом.

На II этапе происходит матричный синтез новых (дочерних) полинуклеотидных цепей на основе известного принципа комплементарного соответствия нуклеотидов. Этот процесс осуществляется с помощью ферментов ДНК-полимераз нескольких типов. Инициация этого процесса начинается со свободного 3'-конца какой-либо полинуклеотидной цепочки ДНК (либо РНК), которая соединена с другой (комплементарной) цепочкой ДНК. Таким образом, ДНК-полимераза способна лишь добавлять нуклеотиды к свободному 3' -концу имеющегося полинуклеотида и наращивать новую структуру в направлении 5'→3'.

С учетом данного обстоятельства становится понятным асимметричный характер функционирования вилки репликации. Как видно из приведенных схем, на одной из матричных нитей вилки (3'- 5') идет быстрый и непрерывный синтез дочерней нити в направлении 5'→3'. В это же время на другой матрице (5'→3') идет более медленный и прерывистый синтез цепочки с образованием коротких фрагментов по 100-200 нуклеотидов. Эти вновь синтезируемые фрагменты получили название фрагментов Оказаки. Как видно, их синтез идет также в направлении 5'→3'. Считается, что синтез ведущей и отстающей цепочек осуществляют ДНК-полимеразы разных типов. Свободный 3'-конец, необходимый для начала синтеза фрагмента Оказаки, обеспечивается короткой нитью РНК, состоящей примерно из 10 нуклеотидов и получившей название РНК-праймера или РНК-затравки, которая синтезируется с помощью фермента РНК-праймазы (рис. 6). РНК-праймеры могут комплементарно спариваться сразу с несколькими участками на матричной нити ДНК, создавая условия для одновременного синтеза нескольких фрагментов Оказаки при участии ДНК-полимеразы III. Когда синтезированный фрагмент Оказаки достигает 5'-конца очередного РНК-праймера, начинает проявляться 5'-экзонуклеазная активность ДНК-полимеразы 1, которая последовательно выщепляет нуклеотиды РНК в направлении 5'-3'. При этом удаляемый РНК-праймер замещается соответствующим фрагментом ДНК.

III этап рассматриваемого процесса связан с действием фермента ДНК-лигазы, который соединяет фосфодиэфирной связью 3'-конец одного из фрагментов Оказаки с 5 '-концом соседнего фрагмента, восстанавливая таким образом первичную структуру отстающей цепочки. Спирализация появившегося «полуконсервативного» участка ДНК (закручивание спирали) происходит с участием ДНК-гиразы и некоторых других белков.

Полирепликонный принцип организации молекулы ДНК различных эукариот, в том числе человека, обеспечивает возможность последовательного копирования генетического материала без одновременного раскручивания всей огромной по размерам и сложно упакованной молекулы, что значительно сокращает время ее репликации. Иными словами, в тот или иной момент времени в одной группе репликонов молекулы процесс копирования может быть уже завершен объединением и спирализацией соответствующих участков, тогда как в другой группе он только начинается расплетанием двухнитевых структур.

1.3. Генетический код и этапы реализации генетической информации.

Использование in vitro в качестве матриц синтетических полирибонуклеотидов с известным строением, а также рибосом и других необходимых компонентов позволило доказать предположение о том, что единицей генетического кодирования (кодоном) является тройка нуклеотидов (триплет), которая определяет место соответствующей аминокислоты в полипептидной цепочке. Удалось расшифровать структуру всех 64 триплетов матричной молекулы РНК (число теоретически возможных сочетаний по три из четырех разных нуклеотидов ДНК либо РНК составляет 4³ = 64). В первых химических экспериментах по изучению матричной активности синтезированных фрагментов РНК, состоящих только из урациловых нуклеотидов, был обнаружен синтез полипептидных фрагментов, содержащих лишь одну аминокислоту (фенилаланин). Эти данные позволили сделать вывод, что триплет УУУ молекулы РНК (и соответствующий комплементарный триплет ААА в молекуле ДНК) является кодоном фенилаланина. Аналогичным образом было расшифровано содержание и других кодонов РНК, которые представлены в табл. 1.

Таблица 1