От гена к белку
Ген — участок ДНК, последовательность оснований которого записывает белок. Клетка не читает ДНК напрямую, чтобы сделать белок. Сначала она копирует ген в матричную РНК (транскрипция), затем рибосомы читают мРНК и соединяют аминокислоты в нужном порядке (трансляция). Этот поток информации от ДНК к РНК и к белку часто называют центральной догмой молекулярной биологии.
Транскрипция
РНК-полимераза связывается с промотором перед геном, расплетает короткий участок двойной спирали (транскрипционный пузырь, около 14 пар оснований) и движется вдоль него. Она читает одну цепь, матричную, и строит комплементарную ей цепь РНК, присоединяя нуклеотиды к 3′-концу РНК, так что та растёт от 5′ к 3′. Поэтому РНК имеет ту же последовательность, что и другая цепь ДНК, кодирующая, но с урацилом (U) вместо тимина (T). Позади полимеразы ДНК снова застёгивается.
У бактерий мРНК используется сразу. У эукариот её сначала обрабатывают: к 5′-концу добавляется кэп, к 3′-концу — поли-A-хвост, а интроны вырезаются (сплайсинг), прежде чем мРНК покинет ядро.
Генетический код
мРНК читается по три основания. Каждый триплет — кодон. Четыре основания дают 4³ = 64 кодона: 61 кодирует 20 аминокислот, а 3 (UAA, UAG, UGA) означают стоп. AUG кодирует метионин и также отмечает старт. У большинства аминокислот несколько кодонов, обычно различающихся третьим основанием, поэтому код избыточен (вырожден). Тот же код, с небольшими исключениями, используют почти все живые существа.
Трансляция
- Инициация: малая субъединица рибосомы связывается с мРНК и находит старт-кодон AUG; первая транспортная РНК, несущая метионин, спаривается с ним, и присоединяется большая субъединица.
- Элонгация: тРНК, чей антикодон спаривается со следующим кодоном, приносит следующую аминокислоту; рибосома присоединяет её к растущей цепи пептидной связью и сдвигается на один кодон. Бактериальные рибосомы добавляют около 15–20 аминокислот в секунду, наши — около 5.
- Терминация: на стоп-кодон не подходит ни одна тРНК; вместо неё связывается фактор терминации, готовая цепь освобождается, и рибосома распадается.
Порядок кодонов задаёт порядок аминокислот, а эта последовательность определяет, как цепь сворачивается в работающий белок.
Разобранный пример: β-глобин
Ген β-глобина человека (HBB), половины молекулы гемоглобина, начинается так:
ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …
- мРНК: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
- Кодоны: AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys.
- Белок: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys… или MVHLTPEEK в однобуквенном коде.
Мутации
- Синонимичная (молчащая): замена, превращающая кодон в другой кодон той же аминокислоты. GTG на GTC в кодоне 2 по-прежнему даёт валин.
- Миссенс: новый кодон кодирует другую аминокислоту. При серповидноклеточной анемии кодон 7 меняется с GAG на GTG, и глутамат становится валином. Гидрофобный валин заставляет молекулы гемоглобина при недостатке кислорода слипаться в волокна, изгибая эритроциты в серпы. Некоторые миссенс-замены безвредны; другие разрушают белок.
- Нонсенс: кодон становится стоп-кодоном. Замена основания 19 в HBB с G на T превращает GAG в TAG, и белок обрывается после шести аминокислот. Подобные мутации вызывают β-талассемию.
- Сдвиг рамки: вставка или делеция числа оснований, не кратного трём, сдвигает рамку считывания, так что все последующие кодоны меняются. Делеция основания 20 в HBB даёт MVHLTPGRSLPLLPCGAR и затем стоп: короткий бесполезный белок. Вставка или делеция трёх оснований убирает или добавляет одну аминокислоту без сдвига, как в самой частой мутации при муковисцидозе, удаляющей один фенилаланин.
Как пользоваться симуляцией
В Симулятор синтеза белка: транскрипция и трансляция попробуйте:
- Посмотрите, как β-глобин транскрибируется, затем транслируется; сравните мРНК в результатах с кодирующей цепью.
- Выберите «Замена» в основании 20 на T: серповидноклеточная мутация, показанная как миссенс E7V.
- Основание 19 на T: нонсенс. Основание 6 на C: синонимичная.
- «Делеция одного основания» в основании 20: сдвиг рамки, и график гидропатии после кодона 7 перемешивается.
- В «Короткий пример со стоп-кодоном» старт-кодон стоит через несколько оснований: рибосома пропускает их и останавливается на TGA.
- Введите последовательность без ATG: белок не образуется.
Что предполагает модель
- Стандартный генетический код, чтение с первого ATG в последовательности, в этой рамке, до первого стоп-кодона или конца последовательности.
- Кодирующая последовательность без интронов: введённое считается последовательностью мРНК, без промотора, сплайсинга, кэпа и хвоста.
- Одна полимераза и одна рибосома за раз, с постоянной скоростью; настоящие гены транскрибируются многими полимеразами, а каждую мРНК одновременно читают многие рибосомы (полисома).
- Массы по средним массам остатков плюс одна молекула воды, без модификаций; метионин в начале сохраняется.
- Гидропатия по шкале Кайта — Дулиттла, усреднённая по окнам из пяти остатков.
Крайние случаи
- Нет старт-кодона: нет белка. Мутация в самом ATG теряет старт; тогда симуляция транслирует со следующего ATG, который может оказаться в другой рамке.
- Нет стоп-кодона: рибосома сходит с конца последовательности. В клетках такие «безостановочные» мРНК распознаются и уничтожаются.
- Мутации до старта или после стопа не меняют белок, хотя в настоящих генах они всё ещё могут влиять на количество синтезируемого белка.
- Замена на то же основание ничего не меняет.
Где модель перестаёт быть верной
- Синонимичная не всегда безвредна. Синонимичные замены могут менять сигналы сплайсинга, сворачивание мРНК или скорость чтения кодона и тем самым менять количество белка или то, как он сворачивается.
- Нонсенс-опосредованный распад. У эукариот мРНК с преждевременным стопом обычно уничтожается, прежде чем успеет образоваться много укороченного белка.
- Контекст старт-кодона. Рибосомы эукариот сканируют от кэпа и предпочитают AUG в хорошем контексте (последовательность Козак, вроде GCCACCAUGG); бактерии используют последовательность Шайна — Дальгарно чуть выше по течению. Используется не всегда первый ATG.
- После трансляции. Начальный метионин часто удаляется, поэтому серповидноклеточную мутацию называют Glu6Val; белки разрезаются, сворачиваются с помощью шаперонов и украшаются сахарами и фосфатами.
- Другие коды. Митохондрии и некоторые микробы читают несколько кодонов иначе; в митохондриях человека UGA кодирует триптофан.
Связанные инструменты
Транслируйте любую последовательность во всех шести рамках в Трансляция ДНК в белок, ищите открытые рамки считывания в Поиск ORF, вносите точечные мутации в Мутирование ДНК и взвешивайте результат в Молекулярная масса белка. Как транслировать ДНК в белок разбирает код вручную, а Просмотр сворачивания ДНК и РНК показывает саму молекулу.