Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


Б. Штерн
Ближайшие пригодные для жизни экзопланеты: где они, как их можно наблюдать и как их достичь


Р. Фишман
Истории мутантов: гомеозисные гены


С. Мац
Искривленное зеркало


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель







Главная / Новости науки версия для печати

Генетический код допускает разночтения


Стандартный генетический код. Центральный круг соответствует первой букве кодона (триплета нуклеотидов), средний — второй букве, внешний — третьей. Снаружи от кругов указаны 20 стандартных аминокислот, кодируемых соответствующими триплетами. Рядом с кодонами UGU и UGC, кодирующими цистеин (Cys), находятся три стоп-кодона, кодирующие окончание синтеза белка: UAA, UAG и UGA. Последний из этих стоп-кодонов «по совместительству» кодирует селеноцистеин, а у инфузории Euplotes он не является стоп-кодоном и по умолчанию кодирует цистеин. Рис. с сайта commons.wikimedia.org
Стандартный генетический код. Центральный круг соответствует первой букве кодона (триплета нуклеотидов), средний — второй букве, внешний — третьей. Снаружи от кругов указаны 20 стандартных аминокислот, кодируемых соответствующими триплетами. Рядом с кодонами UGU и UGC, кодирующими цистеин (Cys), находятся три стоп-кодона, кодирующие окончание синтеза белка: UAA, UAG и UGA. Последний из этих стоп-кодонов «по совместительству» кодирует селеноцистеин, а у инфузории Euplotes он не является стоп-кодоном и по умолчанию кодирует цистеин. Рис. с сайта commons.wikimedia.org

Генетический код основан на однозначном соответствии каждого кодона (тройки нуклеотидов) определенной аминокислоте. Это правило, казавшееся нерушимым, не выполняется у инфузории Euplotes, у которой в пределах одного и того же гена кодон UGA может кодировать две разных аминокислоты — цистеин или селеноцистеин. Подлинный смысл каждого конкретного кодона UGA определяется специальной регуляторной последовательностью нуклеотидов в некодирующей части гена.

Селеноцистеин (selenocysteine) — нестандартная «двадцать первая» аминокислота, отличающаяся от обычного цистеина тем, что вместо атома серы в ее состав входит атом селена. Селеноцистеин является обязательным компонентом нескольких важных ферментов в организме животных (включая человека), простейших, бактерий и архей. Белки, содержащие селеноцистеин, называют селенопротеинами (selenoproteins). В геноме человека содержится более 20 генов селенопротеинов, поэтому селен является необходимым компонентом питания, и его недостаток в пище приводит к различным заболеваниям.

Стандартный генетический код, однако, предусматривает возможность кодирования только двадцати «канонических» аминокислот, и для того, чтобы закодировать двадцать первую, эволюции пришлось пойти на хитрость. Для кодирования селеноцистеина используется кодон UGA, который по умолчанию является стоп-кодоном, то есть сигнализирует об окончании синтеза белковой молекулы. Однако если за кодирующим участком гена следует особая последовательность нуклеотидов, которая называется SECIS (selenocysteine insertion sequence), аппарат синтеза белка интерпретирует кодон UGA как кодирующий селеноцистеин.

У организмов, в геноме которых есть гены селенопротеинов, имеется специальная селенопротеиновая транспортная РНК, которая распознает кодон UGA при помощи комплементарного ему антикодона UCA. Последовательность SECIS в ходе транскрипции включается в состав матричной РНК, синтезируемой на основе селенопротеинового гена. Оказавшись в составе матричной РНК, SECIS сворачивается в особую трехмерную структуру — «шпильку» с двумя петельками (см. рисунок), которая и служит сигналом, заставляющим аппарат синтеза белка присоединить к кодону UGA транспортную РНК, несущую селеноцистеин.

Антон Туранов и Вадим Гладышев из Университета штата Небраска (Линкольн, США) и их коллеги из нескольких американских научных институтов изучили механизм кодирования селеноцистеина у инфузории Euplotes. Эта инфузория интересна тем, что у нее, в отличие от других инфузорий и подавляющего большинства живых существ, кодон UGA не является стоп-кодоном и «по умолчанию» кодирует цистеин. Исследователи подумали, что если у Euplotes есть селенопротеины, то эта инфузория может оказаться единственным организмом, у которого один и тот же триплет нуклеотидов кодирует, в зависимости от контекста, две разные аминокислоты.

В геноме инфузории Euplotes обнаружено восемь генов, кодирующих селенопротеины. В некодирующей части каждого из них есть регуляторная последовательность SECIS, которая «разъясняет» клетке, какие из кодонов UGA в данном гене кодируют селеноцистеин (остальные кодоны UGA по умолчанию кодируют цистеин). На рисунке показана структура регуляторной последовательности SECIS для всех восьми генов (вверху — названия генов). Такую конфигурацию SECIS принимает после того, как произошла транскрипция, и SECIS вошла в состав матричной РНК. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science
В геноме инфузории Euplotes обнаружено восемь генов, кодирующих селенопротеины. В некодирующей части каждого из них есть регуляторная последовательность SECIS, которая «разъясняет» клетке, какие из кодонов UGA в данном гене кодируют селеноцистеин (остальные кодоны UGA по умолчанию кодируют цистеин). На рисунке показана структура регуляторной последовательности SECIS для всех восьми генов (вверху — названия генов). Такую конфигурацию SECIS принимает после того, как произошла транскрипция, и SECIS вошла в состав матричной РНК. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Так и оказалось. Исследователи обнаружили в геноме Euplotes восемь генов селенопротеинов, в каждом из которых имеется последовательность SECIS и как минимум один кодон UGA. В четырех из этих генов обнаружилось более одного такого кодона. Как выяснилось, только один из UGA-кодонов в каждом гене кодирует селеноцистеин. Остальные интерпретируются клеткой как кодирующие цистеин. Таким образом, кодон UGA у Euplotes может кодировать две разные аминокислоты даже в пределах одного и того же гена.

Структура гена eTR1, кодирующего фермент тиоредоксин-редуктазу. Цветными вертикальными полосками показано расположение кодонов, кодирующих цистеин (UGU — голубые полоски, UGC — зеленые, UGA — красные). Разноцветные буквы С над кодонами обозначают, что данный кодон кодирует цистеин. Самый правый, ближайший к SECIS кодон UGA кодирует селеноцистеин (U). Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science
Структура гена eTR1, кодирующего фермент тиоредоксин-редуктазу. Цветными вертикальными полосками показано расположение кодонов, кодирующих цистеин (UGU — голубые полоски, UGC — зеленые, UGA — красные). Разноцветные буквы С над кодонами обозначают, что данный кодон кодирует цистеин. Самый правый, ближайший к SECIS кодон UGA кодирует селеноцистеин (U). Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

В ядерном геноме Euplotes найдено целых три гена транспортных РНК, распознающих кодон UGA: селеноцистеиновая тРНК и два варианта цистеиновой тРНК. В митохондриальном геноме Euplotes кодон UGA кодирует триптофан, и в соответствии с этим имеется еще четвертая, митохондриальная триптофановая тРНК, распознающая этот кодон.

Чтобы проверить, насколько универсальным является механизм кодирования селеноцистеина у разных организмов, исследователи пересадили селенопротеиновые гены инфузории (вместе с последовательностями SECIS) в человеческие эмбриональные клетки. Оказалось, что человеческий аппарат синтеза белка правильно понимает смысл тех кодонов UGA в генах инфузории, которые кодируют селеноцистеин. Человеческие клетки успешно синтезировали селенопротеины на основе генов инфузории, используя при этом человеческую селеноцистеиновую тРНК. Однако это произошло только с теми селенопротеиновыми генами инфузории, в которых кодон UGA один, и он кодирует селеноцистеин. Наткнувшись на кодон UGA, кодирующий у инфузории цистеин, человеческие клетки интерпретировали его как стоп-кодон и прекращали синтез белковой молекулы. Что и понятно, ведь у человека нет цистеиновых тРНК, распознающих кодон UGA.

Исследователи также попытались выяснить, каким образом клетка понимает, какие из кодонов UGA в пределах данного гена следует интерпретировать как цистеиновые, а какие — как селеноцистеиновые. Как выяснилось, это зависит от структуры SECIS. Каждый вариант последовательности SECIS указывает клетке на строго определенный участок гена длиной в несколько десятков нуклеотидов, в пределах которого все кодоны UGA интерпретируются как селеноцистеиновые. За пределами этого участка кодоны UGA трактуются в соответствии с их значением «по умолчанию»: у инфузорий — как цистеиновые, у человека — как стоп-кодоны.

От структуры последовательности SECIS зависит, на каком расстоянии от конца гена будет располагаться участок, в пределах которого все UGA будут транслироваться в селеноцистеин. Значение тонких различий в структуре SECIS понимается одинаково инфузориями и человеческими клетками. Чтобы выяснить всё это, исследователи конструировали и вставляли в человеческие клетки различные модифицированные варианты селенопротеиновых генов (передвигали с места на место кодоны UGA, заменяли один вариант SECIS на другой и т. д.).

Таким образом, генетический код, «в норме» используемый для кодирования 20 аминокислот, при необходимости может быть расширен. Кроме селеноцистеина, который считают 21-й аминокислотой, существует и 22-я — пирролизин (pyrrolysine). Он входит в состав некоторых важных ферментов у организмов, считающихся одними из древнейших на планете, — архей-метаногенов (см. метаногенез). Пирролизин, как и селеноцистеин, кодируется каноническим стоп-кодоном, но другим (UAG), и тоже в сочетании со специальной регуляторной «шпилькой» в некодирующей области гена.

Может быть, эти странные неканонические способы кодирования аминокислот помогут пролить свет на тайну происхождения генетического кода. В статье об этом не говорится, но ведь можно предположить, что в ходе эволюции механизмов специфического синтеза полипептидов в РНК-мире строгое и однозначное соответствие между кодонами и аминокислотами сформировалось не сразу, и поначалу весь генетический код держался «на шпильках».

Источник: Anton A. Turanov, Alexey V. Lobanov, Dmitri E. Fomenko, Hilary G. Morrison, Mitchell L. Sogin, Lawrence A. Klobutcher, Dolph L. Hatfield, Vadim N. Gladyshev. Genetic Code Supports Targeted Insertion of Two Amino Acids by One Codon // Science. 2008. V. 323. P. 259–261.

Александр Марков


Комментарии (49)



Последние новости: ГенетикаЭволюцияАлександр Марков

2.08
Гибридизация однодомных и двудомных растений увеличивает разнообразие половых фенотипов
23.07
Млекопитающие с относительно крупным мозгом более уязвимы
11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
7.07
В бирманском янтаре мелового периода найден вымерший убийца пауков
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия