Самые нестандартные генетические коды

Редактирование обязательно делать в самом организме?

Нет. Во время одного из самых первых испытаний редактора генома учёные забирали клетки из крови пациента, выполняли необходимые генетические корректировки и вводили исправленные клетки обратно. Такой метод выглядит многообещающим для лечения для людей, живущих с ВИЧ. Когда вирус попадает в организм, он инфицирует и убивает иммунные клетки. Но чтобы инфицировать иммунную клетку, ВИЧ сначала должен прицепиться к определённым белкам на её поверхности. Учёные выделили иммунные клетки из крови пациента и использовали редактор генома, чтобы вырезать ту ДНК, которая нужна клеткам для образования этих поверхностных белков. Без них ВИЧ не может получить доступ к клеткам.

Подобный способ может использоваться для борьбы с некоторыми типами рака: иммунные клетки выделяются из крови пациента и редактируются так, что они больше не могут синтезировать поверхностные белки, к которым цепляются раковые клетки. Отредактировав иммунные клетки и сделав из них «убийц рака», учёные размножают их и вводят обратно в организм пациента. Прелесть модифицирования клеток вне организма в том, что всё можно перепроверить до того, как вводить обратно, чтобы убедиться, что процесс редактирования проведён верно.

«Гены. Генетический код»

Раздел ЕГЭ: 2.6. Генетическая информация в клетке. Гены, генетический код и его свойства. Матричный характер реакций биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

На Земле живет уже более 6 млрд людей. Если не считать 25-30 млн пар однояйцевых близнецов, то генетически все люди разные. Это означает, что каждый из них уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом и многими другими качествами. Чем же определяются такие различия между людьми? Конечно различиями в их генотипах, т.е. наборах генов данного организма. У каждого человека он уникален, так же как уникален генотип отдельного животного или растения. Но генетические признаки данного человека воплощаются в белках, синтезированных в его организме. Следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека. Вот почему возникает проблема пересадки органов, вот почему возникают аллергические реакции на продукты, укусы насекомых, пыльцу растений и т.д. Сказанное не означает, что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцевых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.

Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК — гене. Ген — это единица наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.

Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода. Код подобен всем известной азбуке Морзе, которая точками и тире кодирует информацию. Азбука Морзе универсальна для всех радистов, и различия состоят только в переводе сигналов на разные языки. Генетический код также универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены и кодирующих белки конкретных организмов.

Свойства генетического кода: триплетность, специфичность, универсальность, избыточность и неперекрываемость.

Итак, что же собой представляет генетический код? Изначально он состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности. Например, ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д. Каждый триплет нуклеотидов кодирует определенную аминокислоту, которая будет встроена в полипептидную цепь. Так, например, триплет ЦГТ кодирует аминокислоту аланин, а триплет ААГ — аминокислоту фенилаланин. Аминокислот 20, а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три — 64. Следовательно, четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот. Вот почему одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.

Собственно генетическим кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК, ибо она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции). В состав иРНК входят нуклеотиды АЦГУ. Триплеты нуклеотидов иРНК называются кодонами. Уже приведенные примеры триплетов ДНК на иРНК будут выглядеть следующим образом — триплет ЦГТ на иРНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК — ААГ — станет триплетом УУЦ. Именно кодонами иРНК отражается генетический код в записи. Итак, генетический код триплетен, универсален для всех организмов на земле, вырожден (каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном). Между генами имеются знаки препинания — это триплеты, которые называются стоп-кодонами. Они сигнализируют об окончании синтеза одной полипептидной цепи. Существуют таблицы генетического кода, которыми нужно уметь пользоваться, для расшифровки кодонов иРНК и построения цепочек белковых молекул (в скобках — комплементарные ДНК).

• Матричный характер реакций биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот.
• Вернуться в Кодификатор ЕГЭ.

Происхождение генетического кода

Использование слова «код» восходит к Эрвину Шредингеру , который использовал термины «наследственный код-сценарий», «хромосомный код» и «миниатюрный код» в серии лекций в 1943 году, которые он обобщил в 1944 году и использовал как за основу его книги «Что такое жизнь?» С 1944 г. Точное местонахождение или носитель этого кода в то время все еще оставалось неясным.

Раньше считалось, что генетический код возник случайно. В 1968 году Фрэнсис Крик все еще описывал это как «застывшее совпадение». Однако это результат строгой оптимизации с точки зрения отказоустойчивости. Ошибки особенно серьезны для пространственной структуры белка, если гидрофобность неправильно включенной аминокислоты значительно отличается от исходной. В контексте статистического анализа только 100 случайных кодов из миллиона оказываются лучше, чем реальный. Если при расчете допустимости ошибок учитывать дополнительные факторы, которые соответствуют типичным паттернам мутаций и ошибок чтения, это число даже сокращается до 1 на 1 миллион.

Универсальность кода

Обоснование

Примечательно, что генетический код в принципе одинаков для всех живых существ, поэтому все живые существа используют один и тот же «генетический язык». Дело не только в том, что генетическая информация всегда присутствует в последовательности нуклеиновых кислот и всегда считывается триплетами для структуры белков. За некоторыми исключениями, конкретный кодон всегда обозначает одну и ту же аминокислоту; стандартный код отражает обычное использование. Следовательно, это возможно в генной инженерии для. B. Чтобы переправить ген человеческого инсулина бактериям, чтобы они затем вырабатывали гормональный белок инсулин. Этот общий базовый принцип кодирования, который разделяют все организмы, называется «универсальность кода». Эволюция может объяснить, что генетический код сформировался очень рано в истории развития жизни, а затем передавался всеми развивающимися видами. Такое обобщение не исключает того, что частота использования разных кодовых слов может различаться между организмами (см. Использование кодонов ).

варианты

Кроме того, существуют также различные варианты, которые отклоняются от стандартного кода, в которых несколько кодонов транслируются в аминокислоту, от той, которая указана в . Некоторые из этих отклонений можно таксономически ограничить, чтобы можно было определить специальные коды. Таким образом, теперь различают более тридцати вариантов генетических кодов.

В эукариотических клетках те органеллы, которые имеют свою собственную геномную систему и предположительно происходят от симбиотических бактерий ( эндосимбиотическая теория ), демонстрируют свои собственные варианты генетического кода. В митохондриях известны десять модифицированных форм митохондриальных кодов их собственной ДНК ( мтДНК , митогеном син. Хондриома ) . Они отличаются от ядерного кода генетического материала ядра , генома ядра ( кариомы ). Кроме того, пластиды, которые также встречаются в растительных клетках, имеют собственный код для своей пластидной ДНК ( хпДНК , пластом ).

В реснитчатых животных (Ciliophora) также показывают отклонение от стандартного кода: а часто и код для глутамина; это отклонение также встречается у некоторых зеленых водорослей . также иногда обозначает цистеин. Другой вариант обнаружен у дрожжей Candida , где кодирует серин.

Кроме того, есть несколько вариантов аминокислот, которые могут быть включены не только бактериями (Bacteria) и архей (Archaea) во время трансляции путем перекодирования; так , как описано выше, селеноцистеин и пирролизин могут кодировать, в стандартном коде оба стоп-кодона .

Кроме того, известны другие отклонения от стандартного кода, которые часто относятся к инициированию (запуску) или завершению (остановке); В частности, в митохондриях кодону (триплет оснований мРНК) часто не назначается обычная аминокислота. В следующей таблице приведены некоторые примеры:

Дегенерация и отказоустойчивость

Если необходимо кодировать определенную аминокислоту, часто можно выбрать один из нескольких кодонов с одинаковым значением. Генетический код — это код, в котором несколько выражений имеют одинаковое значение, т.е. одна и та же семантическая единица может быть закодирована с использованием разных синтаксических символов. По сравнению с системой кодирования, в которой каждая семантическая единица соответствует синтаксическому выражению и наоборот, такой код называется вырожденным .

Преимущественно, более 60 кодонов доступны для приблизительно 20 аминокислот, которые могут быть включены трансляционно. Каждый из них представлен как комбинация из трех нуклеотидов с четырьмя возможными основаниями каждый , так что существует 64 комбинации. Их назначение аминокислоте таково, что очень похожие варианты кодонов кодируют определенную аминокислоту. Из-за отказоустойчивости генетического кода двух нуклеотидов часто бывает достаточно для надежной идентификации аминокислоты.

Группирование кодонов в соответствии с молярным объемом кодируемой аминокислоты в каждом случае и индексом гидрофобности .

Тройки оснований, кодирующие аминокислоту, обычно различаются только одним из трех оснований; они имеют минимальное расстояние в кодовом пространстве, см. расстояние Хэмминга или расстояние Левенштейна . Большинство триплетов различаются по третьему основанию, «колебанию», которое, скорее всего, будет неправильно прочитано при переводе (см. Гипотезу «колебания» ). Аминокислоты, которые часто требуются для синтеза белка, представлены большим количеством кодонов, чем используются редко. Более глубокий анализ генетического кода показывает дальнейшие взаимосвязи, например, в отношении молярного объема и гидрофобного эффекта (см. Рисунок).

Также примечательно, что основание в середине триплета может в значительной степени указывать на характер назначенной аминокислоты: так, в случае _ U _ оно гидрофобно, но гидрофильно в случае _ A _. С _ C _ он неполярен или полярен без заряда, цепи с заряженными боковыми цепями встречаются с _ G _, а также с _ A _, с отрицательным зарядом только с _ A _ (см. Таблицу выше). Поэтому радикальные замены — замена на аминокислоты другого характера — часто являются результатом мутаций во втором положении. С другой стороны, мутации в третьем положении («колебание») часто сохраняют соответствующую аминокислоту или, по крайней мере, ее характер консервативной замены . Поскольку переходы (превращение пуринов или пиримидинов друг в друга, например, C → T ) происходят чаще, чем трансверсии (превращение пурина в пиримидин или наоборот; этот процесс обычно требует депуринизации ) по механистическим причинам , существует дополнительное объяснение для консервативные Свойства кода.

Вопреки предыдущим предположениям, положение первого кодона часто более важно, чем второе положение, по-видимому, потому, что изменения только в первом положении могут изменить заряд (с положительно заряженной аминокислоты на отрицательно заряженную или наоборот). Однако изменение заряда может иметь драматические последствия для функции белка

Это было упущено во многих предыдущих исследованиях.

Так называемая дегенерация генетического кода также позволяет хранить генетическую информацию, менее чувствительную к внешним воздействиям. Это особенно верно в отношении точечных мутаций , как для синонимичных мутаций (которые приводят к одной и той же аминокислоте), так и для несинонимичных мутаций, которые приводят к аминокислотам со схожими свойствами.

Очевидно, что на ранних этапах эволюционной истории было полезно снизить восприимчивость кодирования к неправильно сформированным кодонам. Функция белка определяется его структурой. Это зависит от первичной структуры , последовательности аминокислот : сколько, какие и в каком порядке связаны с образованием пептидной цепи . Эта информация содержит базовую последовательность как генетическую информацию. Повышенная устойчивость к ошибкам кодирования обеспечивает правильное декодирование. Если аминокислота с аналогичным характером вставлена ​​в неправильную, это изменяет функцию белка меньше, чем если бы это был совершенно другой характер.

викторина

1. Основными правилами спаривания ДНК и РНК являются:

• A – T / U (урацил используется вместо тимина в РНК.)
• C – G
• G – C
• T / U – A

Учитывая это, что из следующего будет анти-кодонной последовательностью для кодона мРНК, читающего «UUGCUGCAG?»A. AAGGACGUCB. AACGAGGUCC. AACGACGUCD. AACGACGUG

Ответ на вопрос № 1

С верно. Он содержит правильный комплимент всех букв в трех предоставленных кодонах мРНК.

2. Что из нижеперечисленного НЕ могло произойти в результате делеции одного нуклеотида?A. Ошибочная ошибка.B. Глупая ошибка.C. Мутация сдвига кадров.D. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 2

верно. Удаление одного нуклеотида приведет к мутации сдвига рамки, поскольку каждая аминокислота кодируется тремя основаниями. Рибосома будет продолжать считывать нуклеотиды в наборах по три – и поскольку один нуклеотид отсутствует, каждый набор из трех после этой делеции будет неправильным.

3. Для какой последовательности аминокислот кодируется последовательность мРНК UUGCUGCAG?A. Лейцин-изолейцин-глютаминB. Лейцин-лейцин-глютаминC. Лейцин-лейцин-АргининD. Изолейцин-изолейцин-глютамин

Ответ на вопрос № 3

В верно. Если вы обратитесь к таблице генетического кода в верхней части этой статьи, вы увидите, что это правильный перевод этой нуклеотидной последовательности.

Альтернативные кодоны в других таблицах перевода

Когда-то считалось, что генетический код универсален: кодон будет кодировать одну и ту же аминокислоту независимо от организма или источника. Однако сейчас все согласны с тем, что генетический код развивается, что приводит к расхождениям в том, как кодон транслируется в зависимости от генетического источника. Например, в 1981 году было обнаружено, что использование кодонов AUA, UGA, AGA и AGG системой кодирования в митохондриях млекопитающих отличается от универсального кода. Стоп-кодоны также могут быть затронуты: у реснитчатых простейших универсальные стоп-кодоны UAA и UAG кодируют глутамин. В следующей таблице показаны эти альтернативные кодоны.

История

Генетический код

Попытки понять, как кодируются белки, начались после того , как в 1953 году была открыта структура ДНК . Джордж Гамов постулировал, что для кодирования 20 стандартных аминокислот, используемых живыми клетками для создания белков, необходимо использовать наборы из трех оснований, что позволило бы получить максимум 4 3 = 64 аминокислоты.

Кодоны

Крика, Бреннер, Барнетта и Уоттс-Тобин эксперимент впервые продемонстрировали , что кодоны состоят из трех оснований ДНК. Маршалл Ниренберг и Генрих Дж. Маттай были первыми, кто раскрыл природу кодона в 1961 году.

Они использовали бесклеточной системы для перевода с поли урацил РНК — последовательности (т.е. UUUUU …) и обнаружил , что полипептид , который они синтезировали состоял только из аминокислоты фенилаланина . Таким образом, они пришли к выводу, что кодон UUU определяет аминокислоту фенилаланин.

За этим последовало экспериментов в Северо Очоа лаборатории о том , что показано , что поли — аденин — последовательность РНК (ААААА …) кодируется для полипептида поли- лизина и что поли цитозин последовательности РНК (ККККК …) кодируется для полипептид поли- пролина . Следовательно, кодон AAA определяет аминокислоту лизин , а кодон CCC определяет аминокислоту пролин . Затем с использованием различных сополимеров было определено большинство оставшихся кодонов.

Последующая работа Хар Гобинд Хорана определила остальную часть генетического кода. Вскоре после этого Роберт У. Холли определил структуру транспортной РНК (тРНК), адапторной молекулы, которая облегчает процесс трансляции РНК в белок. Эта работа была основана на более ранних исследованиях Очоа, которые принесли последнему Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1959 году за работу по энзимологии синтеза РНК.

Продолжая эту работу, Ниренберг и Филип Ледер раскрыли триплетную природу кода и расшифровали его кодоны. В этих экспериментах различные комбинации мРНК пропускались через фильтр, содержащий рибосомы , компоненты клеток, которые переводят РНК в белок. Уникальные триплеты способствовали связыванию специфических тРНК с рибосомой. Ледер и Ниренберг в своих экспериментах смогли определить последовательности 54 из 64 кодонов. Хорана, Холли и Ниренберг получили Нобелевскую премию 1968 года за свою работу.

Три стоп-кодона были названы первооткрывателями Ричардом Эпштейном и Чарльзом Стейнбергом. «Янтарь» был назван в честь их друга Харриса Бернстайна, фамилия которого в переводе с немецкого означает «янтарь». Два других стоп-кодона были названы «охра» и «опал», чтобы сохранить тему «названий цветов».

Расширенные генетические коды (синтетическая биология)

В широкой академической аудитории широко принята концепция эволюции генетического кода от исходного и неоднозначного генетического кода к четко определенному («замороженному») коду с репертуаром из 20 (+2) канонических аминокислот. Однако есть разные мнения, концепции, подходы и идеи, что лучше всего изменить экспериментальным путем. Предлагаются даже модели, которые предсказывают «точки входа» для инвазии синтетических аминокислот в генетический код.

С 2001 года 40 неприродных аминокислот были добавлены в белок путем создания уникального кодона (перекодирования) и соответствующей пары трансфер-РНК: аминоацил-тРНК-синтетаза, чтобы кодировать его с различными физико-химическими и биологическими свойствами для использования в качестве инструмент для изучения структуры и функции белков или для создания новых или улучшенных белков.

Х. Мураками и М. Сисидо расширили некоторые кодоны до четырех и пяти оснований. Стивен А. Беннер сконструировал функциональный 65-й ( in vivo ) кодон.

В 2015 году Н. Будиса , Д. Сёлль и соавторы сообщили о полной замене всех 20 899 остатков триптофана (кодонов UGG) на неестественный тиенопирролаланин в генетическом коде бактерии Escherichia coli .

В 2016 году был создан первый стабильный полусинтетический организм. Это была (одноклеточная) бактерия с двумя синтетическими основаниями (называемыми X и Y). Основания пережили деление клеток.

В 2017 году исследователи из Южной Кореи сообщили, что они создали мышь с расширенным генетическим кодом, которая может производить белки с неестественными аминокислотами.

В мае 2019 года исследователи, предприняв знаковые усилия, сообщили о создании новой (возможно, ) формы жизнеспособной жизни , варианта бактерии Escherichia coli , путем сокращения естественного числа 64 кодонов в бактериальном геноме до 59 кодонов. вместо этого, чтобы кодировать 20 аминокислот .

Основная суть методики гемокода

Отправная идея «гемокодчиков» не нова. Еще древние утверждали, что «мы — это то, что мы едим», то есть, все твои болячки, лишний вес, нездоровый вид, преждевременное старение идут от неправильного питания. Причем, даже если какие-то продукты полезны для твоего соседа, для тебя они могут оказаться только что не ядом. Как с этим разобраться? Конечно же, с помощью гемокод-диагностики!

Непереносимость того или иного продукта — это борьба клеток нашей крови (лейкоцитов-нейтрофилов) с его частицами, которые вы проглотили во время ланча. Чтобы узнать с какими именно продуктами будет воевать ваш организм, вы должны пойти и просто сдать примерно 20 мл крови на гемокод-тест, заплатив, разумеется, деньги.

Спустя неделю, вы получите на руки два списка продуктов, один красненький, а другой зелененький. Чем выше находится продукт питания в красном списке, тем он для вас вреднее. Соответственно первые места в зеленом списке занимает не просто полезная пища, а пища, полезная индивидуально для вас.

Тест основан на том, что кровь соединяется с экстрактом каждого продукта

К алкоголю и пище из красного списка вам категорически запрещено притрагиваться в течение шести недель, зато «зеленую» еду загружайте в себя сколько хотите. За это время организм:

• воспрянет
• самоотрегулируется
• самоочистится

и большинство ваших проблем с весом, недомоганиями и проч. будут решены.

Если не почувствуете ухудшения самочувствия, переходите к следующему по списку и так до первой строчки. Правда, тут тоже не все просто. Продукты придется чередовать. То есть, поужинав в субботу свиной отбивной, в следующий раз ее можно будет себе позволить только в четверг, а съеденный во вторник соленый огурец снова попадет к вам на стол не раньше выходных.