Страйер Л. Биохимия. Том 3

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 24.51. Стратегия метода определения

последовательности нуклеоти-

дов в ДНК с помощью химиче-

ского расщепления.

пиперидином, который вытесняет продукты

реакции с гидразином и катализирует

элиминацию фосфатов. В результате рас-

щепления по цитозинам и тиминам полу-

чают серию полос примерно равной интен-

сивности (дорожка С + Т). Эти пирими-

дины различают, проводя гидразинолиз

в присутствии 2 М NaCl, подавляющим

реакцию с тимином (дорожка С). Теперь по-

следовательность ДНК можно прочитать

по радиоавтографу геля, сопоставляя до-

рожки G, A + G, С + Т и С (рис. 24.52).

Самый короткий фрагмент имеет самую

высокую электрофоретическую подвиж-

ность, так что 5'-концу соответствует низ

геля. Если использовать несколько различ-

ных гелей для разделений всех меченых

фрагментов, можно легко определить та-

ким образом последовательности длиной

более 150 пар оснований.

24.29. Полная последовательность

оснований ДНК фага φХ174 была

определена с помощью метода

ферментативной репликации

Другой метод определения последователь-

ности оснований в ДНК основан на обра-

зовании меченых фрагментов с помощью

контролируемого прерывания фермента-

тивной репликации in vitro. Этот метод

разработали Фред Сэнгер (Fred Sanger)

и его сотрудники. Для считывания опреде-

ленной последовательности с одноцепочеч-

ной ДНК используют ДНК-полимеразу

Рис. 24.52. На радиоавтографе геля видны

меченые фрагменты, образо-

вавшиеся при химическом рас-

щеплении. 5'-конец этой ДНК

был помечен

Р. Самый ко-

роткий нуклеотид расположен

у основания геля. С геля можно

прочитать последовательность

5'-CTTTTTTGGGCTTAGC-3'.

24. ДНК: генетическая роль,

структура и репликация

. В качестве затравки для синтеза ис-

пользуется комплементарный фрагмент,

который можно получить из набора про-

дуктов рестрикции, соответствующей двух-

цепочечной ДНК. Кроме четырех радиоак-

тивных дезоксирибонуклеозидтрифосфатов,

инкубационная смесь содержит 2',3'-диде-

зоксианалог одного из них. Включение это-

го аналога блокирует дальнейший рост це-

пи, так как он не содержит концевой

3'-гидроксильной группы, необходимой для

образования следующей фосфодиэфирной

связи. Так образуются фрагменты, несу-

щие на 3'-конце дидезоксианалог (рис. 24.53).

Затем четыре набора фрагментов, образо-

ванных терминированием цепей, разделяют

гель-электрофорезом и прочитывают по-

следовательность оснований синтезирован-

ной ДНК по радиоавтографу геля. Исполь-

зуя менее 1 пмоль очищенной ДНК, мож-

но определить последовательности 200 ну-

клеотидов.

С помощью метода контролируемой ре-

пликации in vitro Сэнгер определил пол-

ную последовательность 5375 оснований

в ДНК фага φХ174. Расшифровка последо-

вательности ДНК целого генома - крупное

достижение молекулярной биологии. Она

позволила сделать ряд важных выводов,

которые мы рассмотрим в гл. 26

(разд. 26.11). Интересно отметить, что Сэн-

гер определил полную последовательность

оснований целого генома через четверть

века после того, как он расшифровал ами-

нокислотную последовательность белка

Поэтому данный метод в отечественной ли-

тературе называют методом полимеразного ко-

пирования.- Прим. перев.

Следует отметить, что в промежутке между

этими открытиями Ф. Сэнгер разработал ориги-

нальный метод определения последовательно-

сти оснований в РНК, который имел огромные

преимущества перед другими известными в то

время методами.- Прим. перев.

Часть IV.

Информация

Заключение

ДНК - молекула наследственности у всех

прокариотических и эукариотических орга-

низмов. У вирусов роль генетического ма-

териала выполняет либо ДНК, либо РНК.

Любая клеточная ДНК представляет собой

две очень длинные спиральные полину-

клеотидные цепи, закрученные вокруг об-

щей оси. Две цепи двойной спирали ориен-

тированы в противоположном направле-

нии (антипараллельны). Сахарофосфатный

остов каждой цепи лежит снаружи двойной

спирали, а пуриновые и пиримидиновые

основания - внутри. Две цепи удерживают-

ся вместе водородными связями между па-

рами оснований. Аденин (А) всегда спари-

вается с тимином (Т), а гуанин (G) - c

цитозином (С). Таким образом, цепи двой-

ной спирали взаимно комплементарны. Ге-

нетическая информация закодирована в по-

следовательности оснований вдоль цепи.

Большинство молекул ДНК имеет кольце-

Рис. 24.53. Стратегия метода определения

последовательности нуклеоти-

дов в ДНК путем терминиро-

вания цепи. Фрагменты обра-

зуются в результате добав-

ления 2',3'-дидезоксианалога

одного из dNTP в каждую из

четырех пробирок, в которых

происходит полимеризация.

Например, при добавлении ди-

дезоксианалога dATP обра-

зуются фрагменты, оканчи-

вающиеся на А (показано

красным цветом).

вую форму. Ось двойной спирали кольце-

вой ДНК может сама закручиваться

и образовывать суперспираль. Суперспира-

лизованная ДНК имеет более компактную

форму, чем релаксированная ДНК.

При репликации ДНК две цепи двойной

спирали расплетаются и расходятся по ме-

ре того, как синтезируются новые цепи.

Каждая родительская цепь служит матри-

цей для образования новой комплементар-

ной цепи. Таким образом, репликация

ДНК полуконсервативна - каждая дочерняя

молекула получает одну цепь родитель-

ской молекулы ДНК. Репликация

ДНК - сложный процесс, в осуществлении

которого участвует много белков, в том

числе ДНК-полимеразы трех типов

и ДНК-лигаза. Активированные предше-

ственники синтеза ДНК - четыре дезокси-

рибонуклеозид-5'-трифосфаты. Новая цепь

синтезируется в направлении 5'—>3'. Этот

синтез осуществляется путем нуклеофиль-

ной атаки внутреннего атома фосфора оче-

редного дезоксинуклеозидтрифосфата

3'-гидроксильным концом цепи затравки.

Самое важное состоит в том, что ДНК-по-

лимераза катализирует образование фос-

фодиэфирной связи только в том случае,

если основание очередного нуклеотида

комплементарно основанию матричной це-

пи. Другими словами, ДНК-полимеразы —

ферменты, направляемые матрицами.

ДНК-полимеразы I, II и III обладают так-

же 3'—>5'-экзонуклеазной активностью, ко-

торая увеличивает надежность репликации

путем удаления некомплементарных остат-

ков. ДНК-полимеразам I и III присуща,

кроме того, 5'—>3'-нуклеазная активность,

играющая важную роль в механизмах ре-

пликации и репарации ДНК.

Репликация ДНК в клетках E.coli на-

чинается в строго определенном месте (в

точке начала репликации) и идет в обоих

направлениях. В области репликационной

вилки (там, где из двух цепей ДНК полу-

чаются четыре) обе цепи родительской

ДНК используются в качестве матриц для

синтеза новой ДНК. Белок rep расплетает

родительскую ДНК за счет энергии гидро-

лиза АТР. Расплетанию способствует так-

же ДНК-гираза, которая играет роль моле-

кулярного шарнира и вводит отрица-

тельные супервитки в родительскую ДНК.

Одна цепь ДНК (ведущая) синтезируется

непрерывно, тогда как другая (отстающая)

синтезируется в виде фрагментов длиной

1 kb. Поскольку образование отстающей

цепи происходит путем сборки из от-

дельных фрагментов, полимеризация в на-

правлении 5'—>3' на атомном уровне при-

водит к общему росту этой цепи

в направлении 3'—>5'. Синтезу новой ДНК

предшествует синтез РНК, которая исполь-

зуется затем в качестве затравки. Впослед-

ствии РНК, входящая в состав новообра-

зованной РНК-ДНК-цепи, гидролизуется

и замещается ДНК. Затем ДНК-лигаза со-

единяет новообразованные фрагменты

ДНК, которые спарены с одной и той же

матричной цепью. В этой реакции уча-

ствует в качестве источника энергии

NAD

Повреждения в ДНК, вызванные ионизи-

рующей радиацией, ультрафиолетовым

светом и различными химическими соеди-

нениями, постоянно репарируются. Напри-

мер, пиримидиновые димеры, индуциро-

ванные ультрафиолетовым светом, выре-

заются специфической эндонуклеазой. Ура-

цил, который образуется при спонтанном

дезаминировании цитозина в ДНК, уда-

ляется гликозидазой, которая дифференци-

рует урацил и тимин.

Ферменты рестрикции узнают специфиче-

ские последовательности, обладающие

симметрией второго порядка, и гидроли-

зуют одну фосфодиэфирную связь в каж-

дой цепи ДНК в этой области. Эти эндону-

клеазы можно использовать для расщепле-

ния молекул ДНК на специфические фраг-

менты, удобные для дальнейшего изучения.

Разработка методов, позволяющих быстро

определять последовательность нуклеоти-

дов в ДНК на основе специфического рас-

щепления и электрофоретического разделе-

ния продуктов, революционизировала изу-

чение структуры ДНК.

24. ДНК: генетическая роль,

структура и репликация

РЕКОМЕНДУЕМАЯ

ЛИТЕРАТУРА

С чего начать

Kornberg A., 1979. Aspects of DNA

replication, Cold Spring Harbor Symp.,

Quant Biol., 43, 1-9.

Alberts В., Sternglanz R., 1977. Recent

excitement in the DNA replication

problem, Nature, 269, 655-661.

Fiddes J.G., 1977. The nucleotide

sequence of a viral DNA, Sci. Amer.,

237(6), 54-67.

Hamilton H.О., 1979. Nucleotide

sequense specificity of restriction endo-

nucleases, Science, 205, 455-622.

Nathans D., 1979. Restriction endo-

nucleases, simian virus 40, and the new

genetics, Science, 206, 903-909.

Bauer W.R., Crick F.H.C., White J.H.,

1980. Supercoiled DNA, Sci. Amer.,

243(1), 118-133. (Ясно и четко

рассмотрена топология суперспи-

ральных ДНК.)

Книги

Kornberg A., 1980. DNA Replication,

Freeman. (Выдающаяся монография,

читается с большим интересом.)

Cold Spring Harbor Laboratory, 1979.

Replication and Recombination, Cold

Spring Harbor Symposia of

Quantitative Biology, vol. 43. (Наибо-

лее информативный сборник статей

по репликации, репарации и рекомби-

нации ДНК.)

Bloomfield V.A., Crothers D.M.,

Тinосо I., Jr., 1974. Physical Chemistry

of Nucleic Acids, Harper and Row.

Davidson J.N., 1977. The Biochemistry

of the Nucleic Acids, Academic Press.

Ts'o P.O.P., 1974. Basic Principles in

Nucleic Acid Chemistry, vol. 1 and 2,

Academic Press.

Возникновение основополагающих

концепций

Avery О.Т., MacLeod С.M.,

McCarty M., 1944. Studies on the

chemical nature of the substance induci-

ng transformation of pneumococcal

types. Induction of transformation by

a deoxyribonucleic acid fraction isolated

from Pneumococcus Type III, J. Exp.

Med., 79, 137-158.

Hershey A.D., Chase M., 1952. Indepen-

dent functions of viral protein and

nucleic acid in growth of bacteriophage,

J. Gen. Physiol., 36, 39-56.

Watson J.D., Crick F.H.C., 1953.

Часть IV.

Информация

Molecular structure of nucleic acid.

A structure for deoxyribose nucleic acid,

Nature, 171, 737-738.

Watson J.D., Crick F.H.C., 1953.

Genetic implications of the structure of

deoxyribonucleic acid, Nature, 171,

964-967.

Kornberg A., 1960. Biological synthesis

of deoxyribonucleic acid, Science, 131,

1503-1508.

Meselson M., Stahl F.W., 1958. The

replication of DNA in Escherichia coli,

Proc. Nat. Acad. Sci., 44, 671-682.

Taylor J.H. (ed.), 1965. Selected Papers

on Molecular Genetics, Academic Press.

(В этой книге содержатся классичес-

кие статьи, упоминавшиеся в данной

главе.)

Определение последовательности ос-

нований в ДНК

Sanger F., Nicklen S., Coulson A.R.,

1977. DNA sequencing with chain-

terminating inhibitors, Proc. Nat. Acad.

Sci., 74, 5463-5467.

Maxam A.M., Gilbert W., 1977. A new

method for sequencing DNA, Proc. Nat.

Acad. Sci., 74, 560-564.

Белки, участвующие в репликации

ДНК

Wickner S.H., 1978. DNA replication

proteins of Escherichia coli, Ann. Rev.

Biochem., 47, 1163-1191.

Lehman I.R., 1974. DNA ligase: struc-

ture, mechanism, and function, Science,

186, 790-797.

McHenry C., Kornberg A., 1977. DNA

polymerase III holoenzyme of

Escherichia coli: purification and

resolution into subunits, J. Biol. Chem.,

252, 6478-6484.

Rowen L., Kornberg A., 1978. Primase,

the dna G protein of Escherichia coli: an

enzyme which starts DNA chains, J. Biol.

Chem., 253, 758-764.

Kornberg A., Scott J.F., Bertsch L.L.,

1978. ATP utilization by rep protein in

the catalytic separation of DNA strands

at a replicating fork, J. Biol. Chem., 253,

3298-3304.

Cozzarelli N.R., 1977. The mecha-

nism of action of inhibitors of

DNA synthesis, Ann. Rev. Biochem., 46,

641-668.

Место начала репликации ДНК и на-

правление репликации

Prescott D.M., Kuempel P. L., 1972.

Bidirectional replication of the

chromosome in E. coli, Proc. Nat. Acad.

Sci., 69, 2842-2845.

Bird R.E., Lourarn J., Martuscelli J.,

Caro L., 1972. Origin and sequence of

chromosome replication in E. coli,

J, Mol. Biol, 70, 549-566.

Ogawa T., Okazaki Т., 1980. Discontinu-

ous DNA replication, Ann. Rev. Bio-

chem., 49, 421-458.

Структура ДНК

Cantor С.R., Schimmel P.R., 1980.

Biophysical Chemistry, Freeman.

[Имеется перевод: Кантор Ч., Шим-

мел Р. Биофизическая химия. В 3-х

т. - М.: Мир, 1984.] (Гл. 3 и 6 в томе

1 и гл. 22-24 в томе 3 содержат пре-

восходный обзор, посвященный кон-

формации нуклеиновых кислот.)

Суперспиральная ДНК

Bauer W.R., 1978. Structure and

reactions of closed duplex DNA, Ann.

Rev. Biophys. Bioeng., 7, 287-313.

Crick F.H.C., 1976. Linking numbers

and nucleosomes, Proc. Nat. Acad. Sci.,

73, 2639-2643. (Доступное введение

в проблему порядка зацепления, на-

пряжения и угла закручивания супер-

спиральной ДНК.)

Mizuuchi K., O'Dea M.H., Gellert M.,

1978. DNA gyrase: subunit structure

and ATPase activity of the purified

enzyme, Proc. Nat. Acad. Sci., 75,

5960-5963.

Cozzarelli N.R., 1980. DNA gyrase and

the supercoiling of DNA, Science, 207,

953-960.

Репарация ДНК

Hanawalt P.C., Cooper P.K.,

Ganesan A.K., Smith C.A., 1979. DNA

repair in bacteria and mammalian cells,

Ann. Rev. Biochem., 48, 783-836.

Lindahl Т., Ljungquist S., Siegert W.,

Nyberg B., Sperens В., 1977. DNA N-

glycosidases. Properties of uracil-DNA

glycosidase from Escherichia coli, J. Biol.

Chem., 252, 3286-3294.

Cleaver J.E., 1978. Xeroderma

pigmentosum. In: Stanbury J.B.,

Wyngaarden J. В., Fredrickson D. S.

(eds.), The Metabolic Basis of Inherited

Disease (4 th ed.), pp. 1072-1095,

McGraw-Hill.

Воспоминания и исторические очерки

Cairns J., Stent G.S., Watson J. D. (eds.),

1966. Phage and the Origins of

Molecular Biology, Cold Spring Harbor

Laboratory. (Увлекательный сборник

воспоминаний некоторых основопо-

ложников молекулярной биологии.)

Watson J.D., 1968. The Double Helix,

Atheneum. (Живой рассказ об откры-

тии структуры ДНК и ее биологичес-

ких функциях, в котором проступает

яркая личность автора.) [Имеется

перевод: Уотсон Д. Двойная спи-

раль. - М.: Мир, 1969.]

Olby R., 1974. The Path to the Double

Helix, University of Washington Press.

Portugal F.H., Cohen J.S., 1977.

A Century of DNA: A History of the

Discovery of the Structure and Function

of the Genetic Substance, MIT Press.

Judson H., 1979. The Eighth Day of

Creation, Simon and Schuster.

Вопросы и задачи

1. Напишите комплементарные

последовательности (в стан-

дартной записи в направлении 5'—>3') для

следующих последовательностей:

а) GATCAA,

б) TCGAAC,

в) ACGCGT,

г) ТАССАТ.

2. Одна из цепей двухспиральной

ДНК имеет следующий нуклео-

тидный состав (относительное молярное

содержание): [А] = 0,30, [G] = 0,24.

а) Что можно сказать о содержании [Т]

и [С] в той же цепи?

б) Что можно сказать о содержании [А],

[G], [Т] и [С] в комплементарной цепи?

Рис. 24.54. Схематическое изображение

радиоавтографа геля. Видны

радиоактивные фрагменты,

образующиеся при специфиче-

ском расщеплении олигону-

клеотидов.

3. ДНК одного делеционного му-

танта бактериофага λ имеет

контурную длину 15 мкм вместо 17 мкм.

Сколько пар оснований недостает у этого

мутанта?

4. Какой результат получили бы

Меселсон и Сталь, если бы ре-

пликация ДНК была консервативной? Ука-

жите предполагаемое распределение моле-

кул ДНК после 1-й и 2-й генераций

в случае консервативной репликации (т.е.

когда родительская двойная спираль не

расходится).

5. Зависит ли от видовой принад-

лежности способность из-

вестных ДНК-лигаз использовать для сое-

динения ДНК-цепей NAD

или АТР?

Предположим, что обнаружена новая

ДНК-лигаза, нуждающаяся в каком-то

другом источнике энергии. Предположите

приемлемую с энергетической точки зре-

ния замену NAD

или АТР в этой реак-

ции.

6. ДНК-лигаза из Е. coli релакси-

рует суперспирализованную

кольцевую ДНК в присутствии AMP. В от-

сутствие АТР эта активность не проявляет-

ся. Каков механизм этой реакции и почему

он зависит от AMP?

7. На рис. 24.54 приведена схема

радиоавтографа геля с четырь-

мя дорожками фрагментов ДНК, образо-

вавшихся при химическом расщеплении.

ДНК содержала

Р-метку на 5'-конце.

Какова последовательность этой ДНК?

Дополнительные вопросы см.: Wood W. В.,

Wilson J. H., Benbow R. M., Hood L. Е.

Biochemistry: A Problems Aproach,

Benjamin, 1974, chs. 16, 17.

ГЛАВА 25

Информационная

РНК и транскрипция

В этой главе мы рассмотрим выражение

в фенотипе (экспрессию) генетической ин-

формации, содержащейся в ДНК. Функция

генов - кодирование синтезируемых в клет-

ке белков. Однако сама ДНК не исполь-

зуется в качестве непосредственной ма-

трицы для синтеза белка. Роль таких

матриц выполняют молекулы РНК (рибо-

нуклеиновой кислоты). В норме поток гене-

тической информации в клетке идет в сле-

дующем направлении:

В настоящей главе мы увидим, что неко-

торые молекулы РНК играют роль проме-

жуточных переносчиков информации в син-

тезе белка, тогда как другие молекулы

РНК являются частью аппарата белкового

синтеза. Затем мы рассмотрим синтез

РНК, протекающий в соответствии с по-

следовательностью ДНК-матрицы. Это -

процесс транскрипции, за которым следует

трансляция. При трансляции РНК-ма-

трицы направляют синтез белков. Более

подробно этот вопрос рассматривается

в гл. 27.

Участие РНК в синтезе белка казалось

вероятным уже в 1940 г., за несколько лет

до того, как было показано, что ДНК - ма-

териал наследственности. Торбьёрн Кас-

персон (Torbjorn Caspersson) изучал рас-

пределение РНК и ДНК в отдельных

эукариотических клетках с помощью свето-

вой микроскопии. Он исходил из того фак-

та, что и РНК, и ДНК сильно поглощают

ультрафиолетовый свет с длиной волны

260 нм, но только ДНК интенсивно окра-

Часть IV.

Информация

шивается реактивом Фёльгена. Касперсон

обнаружил, что почти вся ДНК содержит-

ся в ядре, тогда как РНК находится боль-

шей частью в цитоплазме. К такому же

выводу пришел Жан Браше (Jean Brachet),

который разделял клетки на ядерную и ци-

топлазматическую фракции и определял

в них содержание ДНК и РНК. Более того,

он обнаружил, что РНК в цитоплазматиче-

ской фракции находится в составе малень-

ких частиц и ассоциирована с белком. Бы-

ло показано, что эти частицы, состоящие

из РНК и белка, служат местом синтеза

белка. Теперь их называют рибосомы.

25.1. Структура РНК

РНК, подобно ДНК, представляет собой

длинную неразветвленную молекулу, со-

стоящую из нуклеотидов, соединенных

фосфодиэфирными связями 3'—>5'. Число

нуклеотидов в молекуле РНК колеблется

от всего лишь 75 до многих тысяч. Кова-

лентная структура РНК отличается от

ДНК в двух отношениях. Как указывает

само название, сахарный остаток

в РНК - рибоза, а не дезоксирибоза. Рибоза

содержит 2'-гидроксильную группу, кото-

рой нет в дезоксирибозе. Другое различие

состоит в том, что одним из четырех осно-

ваний в РНК является урацил (U) - вместо

тимина, содержащегося в ДНК. Как и ти-

мин, урацил может образовывать пару ос-

нований с аденином. Но в молекуле ураци-

ла нет метильной группы, имеющейся

в молекуле тимина.

Таблица 25.1. Молекулы РНК у Е. coli

Тип РНК

Рибосомная

(рРНК)

Транспортная

(тРНК)

Информаци-

онная (мРНК)

Отно-

ситель-

ное со-

держа-

ние,

Коэф-

фици-

ент

седи-

мента-

ции,

Масса, кДа

1,2•10

0,55•1 0

3,6•10

2,5•10

Гетерогенна

Число

нукле-

отидов

3700

1700

120

Молекулы РНК имеют одноцепочечное

строение, за исключением РНК некоторых

вирусов. Поэтому нуклеотидный состав

РНК не подчиняется правилу комплемен-

тарности. Действительно, в большинстве

молекул РНК содержание аденина отли-

чается от содержания урацила, а содержа-

ние гуанина отличается от содержания ци-

тозина. Но молекулы РНК все-таки содер-

жат участки с двухцепочечной структурой,

которые образуют петли в виде шпилек

(рис. 25.2). В этих участках А спаривается

с U, a G спаривается с С. Кроме того,

G может образовывать пару оснований

с U, но она менее прочна, чем GС-пара

(разд. 27.6). Спаривание оснований

в шпильках РНК часто несовершенно. Не-

которые основания, расположенные

в шпильке друг против друга, не компле-

ментарны, и одно или несколько основа-

ний в одной из цепей могут выпетливаться

(выступать) из участка двойной спирали,

чтобы облегчить спаривание других осно-

ваний. Доля двухспиральных участков

в различных РНК варьирует в широких

пределах - в наиболее типичном случае до

50%

Рис. 25.2. РНК может складываться сама

на себя и образовывать двухс-

пиральные структуры.

Рис. 25.1. Структура части цепи РНК.

25.2. Клетки содержат три типа РНК:

рибосомную, транспортную и инфор-

мационную

Клетки содержат три типа РНК

(табл. 25.1). Информационная РНК (ее на-

зывают также матричная РНК, отсюда

мРНК) служит матрицей для синтеза бел-

ка. Каждому работающему гену (или груп-

пе генов) соответствует своя молекула

мРНК. Следовательно, мРНК - крайне ге-

терогенный класс молекул, у Е. coli сред-

няя длина молекулы мРНК составляет

примерно 1,2 kb. Транспортная РНК

(тРНК) переносит аминокислоты в активи-

рованной форме к рибосомам, где они сое-

диняются пептидной связью в определен-

25. Информационная РНК

и транскрипция

Единица Сведберга (S) -

коэффициенты седиментации биологических макромолекул выражаются

в единицах Сведберга (сокращенно S); 1S = 10

-13

с. (Сведберг - шведский

ученый, изобретатель ультрацентрифуги.)

ной последовательности, которую задает

РНК-матрица. Для каждой из 20 амино-

кислот имеется по крайней мере одна раз-

новидность тРНК, Транспортная РНК со-

стоит примерно из 75 нуклеотидов (масса

25 кДа). Это самые маленькие молекулы

РНК. Рибосомная РНК (рРНК) - основной

компонент рибосом, но пока ее роль в син-

тезе белка точно не установлена. В клетке

Е. coli имеется три разновидности рРНК,

называемые 23S-, 16S- и 5S-PHK соответ-

ственно их поведению при седиментации.

В каждой рибосоме содержится по одной

молекуле каждой из этих трех разновидно-

стей РНК. Из трех указанных типов РНК

(мРНК, тРНК, рРНК) количественно пре-

обладает рРНК. Затем идет тРНК, и мень-

ше всего в клетке содержится информа-

ционной РНК, на долю которой приходит-

ся всего лишь 5% всей РНК.

25.3. Формулирование концепции

информационной РНК

Концепция мРНК была сформулирована

Франсуа Жакобом и Жаком Моно

(Francois Jacob, Jacues Monod) в классиче-

ской статье, опубликованной в 1961 г. По-

скольку в эукариотических клетках белки

синтезируются в цитоплазме, а не в ядре,

было очевидно, что должен существовать

какой-то химический посредник, коди-

руемый генами. Жакоб и Моно назвали

его структурным посредником. Какова

природа этого промежуточного продукта?

Важную роль в решении этого вопроса сы-

грало проведенное ими исследование регу-

ляции синтеза белка у Е. coli (гл. 28). Неко-

торые ферменты Е. coli, например фер-

менты, участвующие в поглощении и ис-

пользовании лактозы, индуцибельны. Это

означает, что количество этих ферментов

увеличивается более чем в 1000 раз в при-

сутствии индуктора (например, изопропил-

тиогалактозида). Особенно показательна

была кинетика индукции. Добавление ин-

дуктора уже через несколько минут вызы-

вало максимальный синтез ферментов, ка-

тализирующих обмен лактозы. При удале-

Часть IV.

Информация

нии индуктора синтез данных ферментов

прекращался также быстро. Эти экспери-

ментальные данные были несовместимы

с существованием стабильных матриц для

синтеза указанных ферментов. Отсюда Жа-

коб и Моно сделали вывод, что время

жизни посредника должно быть очень ко-

ротким. Затем они предположили, что он

должен обладать следующими свойствами.

1. Посредник должен быть полинуклео-

тидом.

2.. Нуклеотидный состав предшественни-

ка должен соответствовать нуклеотидному

составу ДНК, которая его кодирует.

3. Посредник должен быть весьма гете-

рогенным по размеру, так как гены (или

группы генов) различаются по длине. Жа-

коб и Моно высказали правильное предпо-

ложение, что три нуклеотида кодируют

одну аминокислоту, и вычислили, что

масса посредника должна быть не менее

500

кДа.

4. Посредник должен быть временно ас-

социирован с рибосомами - местом синтеза

белка.

5. Посредник должен синтезироваться

и распадаться очень быстро. Отсюда сле-

дует, что аналоги оснований, например

5-фторурацил, должны включаться в по-

средник в течение нескольких минут.

Для Жакоба и Моно было очевидно, что

известные в то время фракции РНК не

удовлетворяют этим критериям. Рибосом-

ная РНК, которую принято было считать

матрицей для синтеза белков, была слиш-

ком гомогенна по размеру. Кроме того, ее

нуклеотидный состав был сходен у видов,

сильно различавшихся по нуклеотидному

составу ДНК. Более того, эта РНК была

стабильной, и 5-фторурацил включался

в нее очень медленно. Транспортная РНК

тоже не подходила на роль посредника по

тем же причинам. К тому же она слишком

мала. Однако в литературе высказывалось

предположение о существовании третьего

типа РНК, который, по-видимому, удовле-

творял всем критериям посредника.

В клетках Е. coli, зараженных бактериофа-

гом Т2 (рис. 25.3), была обнаружена ранее

неизвестная фракция РНК подходящего

размера с очень коротким временем жиз-

ни. Самое интересное, что нуклеотидный

состав этой фракции РНК был близок

к составу вирусной ДНК, а не ДНК Е. coli.

25.4. Экспериментальные данные

о существовании информационной

РНК-посредника в синтезе белка

Правомочность гипотезы о короткоживу-

щей РНК-посреднике, играющей роль

переносчика информации при синтезе бел-

ка, была проверена вскоре после того, как

гипотеза была сформулирована. Сидней

Бреннер, Франсуа Жакоб и Мэтью Месел-

сон (Sydney Brenner, Francois Jacob,

Matthew Meselson) провели эксперименты

на E. coli, зараженной бактериофагом Т2.

Почти все белки, синтезирующиеся после

заражения, детерминируются генами фага.

Синтез этих белков не сопровождается уве-

личением общего количества РНК. Однако

вскоре после заражения появляется минор-

ная фракция РНК с коротким временем

жизни. Как уже говорилось выше, нуклео-

тидный состав минорной фракции РНК

сходен с составом фаговой ДНК. Эта си-

стема представлялась оптимальной для

проверки гипотезы посредника, поскольку

в ней происходило быстрое переключение

природы синтезируемого белка. Еще одно

преимущество состояло в том, что в зара-

женных клетках не происходило синтеза

рРНК и тРНК.

Рис. 25.3. Электронная микрофотогра-

фия

клетки

coli,

зараженной

вирусами Т2. (Печатается с лю-

безного разрешения д-ра Lee

Simon.)

Как же происходит при заражении пере-

ключение синтеза с одних белков на дру-

гие? Одна возможность состояла в том,

что фаговая ДНК программирует образо-

вание новых рибосом. Согласно этому

предположению, гены определяют синтез

специализированных рибосом, а каждая

рибосома может синтезировать белок

только одного вида. Альтернативное пред-

положение, выдвинутое Жакобом и Моно,

состояло в том, что рибосомы - неспециа-

лизированные структуры, которые полу-

чают генетическую информацию от гена

в виде нестабильной информационной

РНК (посредника). Эксперименты Бренне-

ра, Жакоба и Меселсона были спланиро-

ваны таким образом, чтобы можно было

выяснить, происходит ли после заражения

синтез новых рибосом или же новообразо-

ванная РНК присоединяется к предсуще-

ствовавшим рибосомам.

Бактерии выращивали в среде, содержав-

шей тяжелые изотопы (

N и

С), заража-

ли фагом и немедленно переносили в сре-

ду, содержащую легкие изотопы (

N и

С). Рибосомы, синтезированные до

и после заражения, можно было разделить

центрифугированием в градиенте плотно-

сти, так как их плотности различались

(«тяжелые» и «легкие» соответственно;

рис. 25.4). Новая РНК была помечена ра-

диоактивными изотопами с помощью

Р-

С-урацила, а новый белок был помечен

изотопом

S. В результате этих экспери-

ментов было установлено следующее.

1. Синтеза рибосом после заражения не

происходит, о чем свидетельствует отсут-

ствие «легких» рибосом.

2. РНК синтезируется после заражения.

Большая часть радиоактивно меченной

РНК обнаруживается в «тяжелом» рибо-

сомном пике. Итак, большая часть ново-

синтезированной РНК ассоциирована

с предсуществующими рибосомами. Допол-

нительные эксперименты показали, что во

время роста фага происходит быстрый

распад и ресинтез этой новой РНК.

3. Радиоактивный изотоп

S временно

появлялся в «тяжелом» рибосомном пике,

из чего следует, что синтез новых белков

происходит на предсуществующих рибосо-

мах.

Эти эксперименты позволили сделать

25. Информационная РНК

и транскрипция

Рис. 25.4. Центрифугирование рибосом

и РНК контрольных бактерий

и бактерий, зараженных фагом

Т2, в градиенте плотности. Ме-

ченная

Р РНК, синтезирован-

ная после заражения, попадает

в полосу рибосом, образо-

ванных до заражения («тя-

желые» рибосомы). После за-

ражения синтеза рибосом не

происходит.

следующий вывод: рибосомы - неспециали-

зированные структуры, синтезирующие

в каждый данный момент тот белок, ко-

торый закодирован в информационной РНК,

находящейся в данный момент в рибосо-

мах. Исследования незараженных бакте-

риальных клеток также показали, что ин-

формационная РНК служит звеном, пере-

носящим информацию от гена к белку.

Вскоре представление об информационной

РНК стало одним из основополагающих

в молекулярной биологии.

25.5. Опыты по гибридизации показали,

что информационная РНК комплементарна

кодирующей ее ДНК-матрице

В 1961 г. Сол Спигелман (Sol Spigelman)

разработал новый метод, названный гибри-

дизацией. Он должен был дать ответ на

следующий вопрос: комплементарна ли

последовательность оснований РНК, син-

тезированной после заражения фагом Т2,

последовательности оснований ДНК фага

Т2? Из работы Джулиуса Мармура и Пола

Доти (Julius Marmur, Paul Doty) было из-

вестно, что при нагревании двухспираль-

Часть IV.

Информация

ной ДНК выше температуры плавления

она переходит в одноцепочечную форму.

При медленном охлаждении раствора эти

цепи реассоциируют и образуют двухспи-

ральную структуру, обладающую биологи-

ческой активностью. Мармур и Доти обна-

ружили также, что двухспиральные моле-

кулы образуются только в том случае,

если цепи ДНК происходят из организмов

одного вида или близкородственных ви-

дов. Это наблюдение подсказало Спигел-

ману, что в смеси одноцепочечной ДНК

и РНК должны образовываться гибриды

ДНК-РНК, если их последовательности

оснований комплементарны (рис. 25.5).

Схема эксперимента была следующей:

1. РНК, синтезированную после зараже-

ния Е. coli фагом Т2 (Т2-мРНК), метили

изотопом

Р. В другом эксперименте

ДНК фага Т2 (Т2-ДНК) пометили изото-

пом

Н.

2. Смесь Т2-мРНК и Т2-ДНК нагревали

до 100°С. В результате двухспиральная

ДНК расплавлялась и переходила в одно-

цепочечную форму. Этот раствор, содержа-

щий одноцепочечные РНК и ДНК, медлен-

но охлаждали до комнатной температуры.

3. Охлажденную смесь анализировали

методом центрифугирования в градиенте

плотности. Образцы центрифугировали не-

сколько дней в бакет-роторе. Затем пласти-

Рис. 25.5. Если РНК и ДНК имеют ком-

плементарные последователь-

ности, может образоваться ги-

брид РНК—ДНК.