Факультет

Студентам

Посетителям

Как записана наследственная информация в ДНК

Результаты, полученные Бензером, сразу использовали многие генетики, биофизики, радиобиологи.

Мутации rII области фага Т4 стали использовать для изучения всевозможных воздействий на ДНК. В наши дни фаг Т4 и его r-мутанты стали самыми популярными «солистами» в «генетическом хоре».

Этот объект использовал и Фрэнсис Крик для постановки исследований, посвященных природе генетического кода. Мы все время писали о ДНК, о том, что она несет генетическую информацию, но до сих пор не объяснили, как же произведена запись наследственной информации в молекуле ДНК. Крик и Уотсон в своей гипотезе предполагали, что эта запись осуществляется за счет чередования азотистых оснований вдоль молекул ДНК. Они считали, что перестановка оснований меняет смысл генетической записи.

Прежде всего нам нужно разобраться, что следует записать в генетическом коде, а затем уже, как записать. Вопрос о том, что нужно кодировать, никогда не подлежал сомнению. Кодировать надо белки и в первую очередь так называемые ферментные белки. От их работы и зависят все свойства, вся жизнь организма. А если так, то, может быть, первый ключ к пониманию генетического кода даст изучение строения белков.

И если свойства белков зависят от чередования аминокислот, то, следовательно, в ДНК должен быть закодирован порядок их чередования.

Надлежало понять алфавит наследственной записи. В ДНК четыре основания. С их помощью надо закодировать 20 аминокислот. Очевидно, что если каждое азотистое основание ДНК давало одну аминокислоту, то оснований на все аминокислоты не хватило бы. Выход один — одну аминокислоту может кодировать только различное сочетание из четырех букв. Когда Крик размышлял над тем, как могло осуществиться кодирование, он пришел к выводу, что такое кодирование вряд ли могло быть проведено двумя основаниями, ибо из четырех элементов можно образовать только 4X4=16 различных пар, тогда как необходимо, по крайней мере, 20 для синтеза аминокислот и, вероятно, еще 1—2 для иных целей. Он пришел к выводу, что кодовая единица, единица, ответственная за одну аминокислоту, состоит из трех оснований. Итак, с помощью четырех букв буквенного алфавита дезоксирибонуклеиновой кислоты природа пишет слова, в которых всегда по три буквы.

Таким было предположение Крика. Высказано оно было в 1953 году и привлекло к себе внимание многих математиков и физиков, которые начали раздумывать над тем, как же основания в ДНК могут строиться в эти трехбуквенные слова. Было придумано много гипотез, но суть всех их сводилась к следующим схемам: код может быть перекрывающийся и неперекрывающийся и в любом случае может иметь промежутки между словами или быть сплошным.

Однако исследования белков показали, что вряд ли код может быть перекрывающимся, ибо никогда замена одного основания в ДНК не приводила к замене сразу нескольких аминокислот в белке, а это с несомненностью вытекало из перекрывающегося кода. С годами «кодовые страсти» стихали, были перепробованы многие схемы, но последнее слово всегда оставалось за самой природой. Наконец, появилось описание эксперимента Ф. Крика, из которого было ясно, что он открыл «трехбуквенный неперекрывающийся код».

Как же Крик сумел узнать эти «три карты» природы? Помог ему все тот же Бензер и его система rII-мутантов фага Т4. Действуя на этот фаг мутагеном-профлавином, Крик получал точечные мутации, возникавшие от того, что профлавин вставлял или вышибал одно или два основания у ДНК.

Опыт Крика и его сотрудников был прост: обрабатывая профлавином фаг Т4, ученые получили точечную мутацию фага Т4 — он перестал расти на кишечной палочке. Эту мутацию обозначили еще знаком « + », предположив, что она произошла от вставления где-то в участке rII лишнего основания. С помощью метода генетического картирования Бензера, о котором вы уже читали, эту мутацию локализовали в участке rII ДНК. Теперь уже мутант обработали еще раз профлавином, и… фаг начал расти на К. Он стал снова диким.

Что это может быть? Выпадение вставленного ранее основания? А может быть, новая мутация, но теперь уже не « + »> а «—», то есть выпадение основания, но в другом месте, где-нибудь по соседству с плюсом? Снова генетическое картирование приходит на помощь и дает ответ: в молекуле ДНК» ведущей себя как немутантная, имеются две мутации. Следовательно, вторая мутация подавила действие первой, стала, как говорят генетики, супрессором первой мутации. Так вероятнее всего, вторая мутация — это «минус»? Новый этап обработки профлавином, но теперь уже фага, несущего супрессорную и основную мутацию. И снова… фаг перестает расти на К. Что теперь? Генетическое картирование дает ответ: рядом с двумя мутациями, обозначенными « + » и «—», возникла третья. Что же, снова « + »? Супрессор первого супрессора? И вот в пробирках исследователей накапливаются новые супрессоры супрессоров, к ним еще супрессоры и т. д.

Но отвлечемся на минуту от бензеровских фагов и криковских супрессоров. Подумаем над тем, как вообще можно возвратиться к нормальному чтению в фразе с трехбуквенными словами. Давайте напишем такую фразу из одинаковых слов:

АВС АВС АВС АВС АВС АВС АВС АВС

1 слово 2 слово 3 слово 4 слово 5 слово 6 слово 7 слово 8 слово

Если читать все сначала без промежутков, то мы прочитаем восемь одинаковых слов, восемь раз по АВС. Теперь извлечем одну букву в любом месте, а читать слова будем по-прежнему, по три буквы в слове, получим:

ABC ABC ABA ВСА ВСА ВСА ВСА ВСА

До того места, где вынули букву, смысл фразы оставался правильным, а потом был потерян. Сделаем противоположную операцию, вставим где угодно букву:

ABC ABB CAB АВС АВС АВС АВС АВС

Теперь вся фраза, кроме участка между вставленной и выпавшей буквами, читается правильно.

Раздумывая над такими фразами, составленными из слов по три буквы, Крик пришел к мысли: можно предложить схему опытов, которые дадут ответ на вопрос, сколько букв входит в кодовую единицу природы. Допустим, что кодовая единица состоит из трех букв. Тогда, если бы можно было вставить сразу три или вынуть сразу три буквы, то мы лишь немного нарушили бы чтение, а в основном оно осталось бы правильным. Если же код не трехбуквенный, тогда какое-то другое число вставлений и выпадений приведет к сохранению чтения.

И вот наступает решающая часть эксперимента. Скрещивают два фага, несущие две « + » мутации. Что, если код все-таки двухбуквенный? Но ничего подобного, рекомбинатный фаг, несущий две « + » мутации в гене rII, не размножается на культуре кишечной палочки К Тогда к этому фагу добавляют еще одну « + » мутацию; теперь в ДНК фага рядом сидят три плюса и в случае трехбуквенного кода наша фраза стала бы читаться так:

АВС АВВ САА ВСА ВСС АВС АВС АВС АВС, то есть чтение, нарушенное первым и вторым вставлением, восстановилось бы после третьей вставленной буквы. Конечно, эта фраза отличается от первоначальной. Если в первой фразе у нас были только АВС, то четыре «неверных» слова — АВВ, САА, ВСА и ВСС. Но так как они расположены рядом, то длят клетки такая ошибка не окажется роковой. Понимаем же мы речь картавого человека. Ученые высевают такой трижды плюсовый фаг на кишечную палочку и ждут результатов опыта. Через несколько часов на чашках с газонами кишечной палочки видны четкие дикие бляшки. Удача! Фаг с введенными тремя плюсами снова стал диким. Код трехбуквенный. Ученые проверили и комбинацию из трех минусов. Как и следовало из теории, такой фаг подобно трем плюсам давал дикое потомство на линии К.