Самые нестандартные генетические коды

Как кодируются аминокислоты нуклеотидами

1) Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — это полимеры, состоящие из нуклеотидов. В каждый нуклеотид может входить одно из четырех азотистых оснований: аденин (А, еn: A), гуанин (Г, G), цитозин (Ц, en: C), тимин (T, en: Т). В случае РНК тимин заменяется на урацил (У, U).

При рассмотрении генетического кода принимают во внимание только азотистые основания. Тогда цепочку ДНК можно представить в виде их линейной последовательности

Например:

…AAATGAACTTCA…

Комплиментарный данному коду участок иРНК будет таким:

…UUUACUUGAAGU…

2) Белки (полипептиды) — это полимеры, состоящие из аминокислот. В живых организмах для построения полипептидов используется 20 аминокислот (еще несколько очень редко). Для их обозначения тоже можно использовать одну букву (хотя чаще используют три — сокращение от названия аминокислоты).

Аминокислоты в полипептиде соединены между собой пептидной связью также линейно. Например, пусть имеется участок белка со следующей последовательностью аминокислот (каждая аминокислота обозначается одной буквой):

…MLFRSRWIMVPQHE…

3) Если стоит задача закодировать каждую аминокислоту с помощью нуклеотидов, то она сводится к тому, как с помощью 4 букв закодировать 20 букв. Это можно сделать, сопоставляя буквам 20-ти буквенного алфавита слова, составленные из нескольких букв 4-х буквенного алфавита.

Если одну аминокислоту кодировать одним нуклеотидом, то можно закодировать только четыре аминокислоты.

Если каждой аминокислоте сопоставлять два подряд идущих в цепи РНК нуклеотида, то можно закодировать шестнадцать аминокислот. Действительно, если имеется четыре буквы (A, U, G, C), то количество их разных парных комбинаций будет 16: (AU, UA), (AG, GA), (AC, CA), (UG, GU), (UC, CU), (GC, CG), (AA, UU, GG, CC). Это значит, что таким кодом (двухбуквенным словом) можно закодировать только 16 разных аминокислот: каждой будет соответствовать свое слово (два подряд идущих нуклеотида).

Из математики формула, позволяющая определить количество комбинаций, выглядит так: ab = n. Здесь n — количество разных комбинаций, a — количество букв алфавита (или основание системы счисления), b — количество букв в слове (или разрядов в числе). Если подставить в эту формулу 4-х буквенный алфавит и слова, состоящие из двух букв, то получим 42 = 16.

Если в качестве кодового слова каждой аминокислоты использовать три подряд идущих нуклеотида, то можно закодировать 43 = 64 разных аминокислот, так как 64 разных комбинации можно составить из четырех букв, взятых по три (например, AUG, GAA, CAU, GGU и т. д.). Это уже больше, чем достаточно для кодирования 20 аминокислот.

Именно трехбуквенный код используется в генетическом коде. Три подряд идущих нуклеотида, кодирующих одну аминокислоту, называются триплетом (или кодоном).

Каждой аминокислоте сопоставляется определенный триплет нуклеотидов. Кроме того, поскольку комбинаций триплетов с избытком перекрывают количество аминокислот, то многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами.

Три триплета не кодируют ни одну из аминокислот (UAA, UAG, UGA). Они обозначают конец трансляции и называются стоп-кодонами (или нонсенс-кодонами).

Триплет AUG кодирует не только аминокислоту метионин, но и инициирует трансляцию (играет роль старт-кодона).

Ниже приведены таблицы соответствия аминокислот триплетам нуклеоитидов. По первой таблице удобно определять по заданному триплету соответствующую ему аминокислоту. По второй — по заданной аминокислоте соответствующие ей триплеты.

Рассмотрим пример реализации генетического кода. Пусть имеется иРНК со следующим содержанием:

AUGGAUUCUACCUGGUUAUUGAAAAAUCAGUAG

Разобьем последовательность нуклеотидов на триплеты:

AUG-GAU-UCU-ACC-UGG-UUA-UUG-AAA-AAU-CAG-UAG

Сопоставим каждому триплету кодируемую им аминокислоту полипептида:

Метионин — Аспаргиновая кислота — Серин — Треонин — Триптофан — Лейцин — Лейцин — Лизин — Аспарагин — Глутамин

Последний триплет является стоп-кодоном.

Решение проблемы кармического долга

Проблема, с которой предок не справился в возрасте от 35 до 45 лет, проявится в судьбе внуков в несколько ослабленном виде, а те невзгоды, с которыми мы безуспешно боремся после 45 годков, отзовутся в жизни наследников депрессиями, но жизнь кардинально не изменят. Зато будут повторяться из поколения в поколение. Сколько? Существует закон: родовая задача должна быть решена в рамках двенадцати поколений. Если за это время с ней так и не удалось разобраться, род прерывается. Любым способом: представители последнего поколения «исповедуют» нетрадиционную сексуальную ориентацию, остаются бездетны, гибнут в раннем возрасте. В общем, у судьбы немало способов уничтожить не оправдавший доверия род людской.

Сейчас мы говорили о схеме. На деле же закономерности наследования крайне сложны, для того, чтобы вычислить их алгоритм, приходится прибегать к сложным математическим расчётам. В гемограмме (а значит, и генетическом коде) заложено всё — от личных драм до болезней и несчастных случаев, причём с точными датами — когда вас накроет волна. Потому что и тяжёлые болезни, и бедность, и патологическое невезение — всё это можно просчитать, а следовательно, и скорректировать.

Как это получается? Проблемы и задачи, встающие перед нами, — не проклятие небес и не злокозненность неких высших сил. Это — шанс проработать родовую программу. Бегство от проблемы (и болезнь, и несчастный случай, и разорение — тоже ведь варианты отступления!) — не выход. Жизнь будет подсовывать вам подобные ситуации, ведя по замкнутому кругу. Разумеется, проблемы мы получаем не только по наследству. Мы ещё и приобретаем их по ходу дела — и едва ли не на каждом шагу. Самый распространенный способ привлечения проблем — это оказать помощь из жалости. Почему? Объясняем.

Прежде всего, необходимо понять: если проблема возникла — она имеет решение. И если она встала перед вами — у вас хватит сил найти выход. Это — закон. Проблемы, с которыми мы сталкиваемся в жизни, — это пути решения наших родовых задач.

Когда мы помогаем человеку из жалости, мы тем самым признаем, что обрушившиеся испытания ему не по плечу. Что само по себе унизительно: получается, он ущербен. В этом случае вы не решаете его проблему, а лишь «загоняете болезнь внутрь». То есть делаете хуже не только ему, но и его… внукам. Ну а заодно получаете проблемы сами.

Так что же, быть жестокосердым? Плевать на ближних и дальних?

Ни в коем случае. Подумайте, из каких побуждений вы помогаете людям? Если из жалости — откажитесь от такой помощи. А вот если вами движет любовь, дружба или просто хорошее отношение к человеку, то помочь нужно обязательно. Такая помощь предполагает, что вы считаете человека равным себе, верите в него. И помогаете не потому что он убогий, сам не справится, а потому, что готовы разделить его ношу. Если близкий столкнулся с проблемой, значит, это и ваша проблема: шанс научиться решать её, пока она не возникла на вашем собственном пути. Так, помогая ему, вы помогаете себе. И не только себе! Решая родовые задачи, вы избавляете от этой тяжкой ноши своих детей и внуков. Им ведь уже не придется отдуваться за бабушек, дедушек и за вас самих. А это — лучшее наследство, которое вы можете им оставить.

Как раскрыть генетический код?

Как вы могли уже догадаться из всего вышесказанного, генетический код всех живых существ на планете уже разгадан. Более того, детальное исследование генома того или иного человека в настоящее время может сделать любой желающий, в чьем кармане имеются лишние 100 долларов. Такое исследование может помочь выявить риски наследственных заболеваний, узнать свое этническое происхождение и даже найти дальних родственников. Наиболее известными компаниями, которые предлагают сделать лабораторный анализ вашего биологического материала, считаются National Geographic, My Heritage и Ancestry DNA. Расценки на исследование вашего личного генома могут варьироваться в зависимости от вида выбранного вами теста и страны, которая предоставит вам возможность пройти данный генетический эксперимент.

Так, ряд российских компаний предлагает тесты с расценками, начинающимися от 1200 рублей. С их помощью вы можете узнать об уровне рекомендуемой лично вам физической активности, подобрать оптимальную диету и даже узнать, сколько чашек кофе в день вы можете выпить без вреда для здоровья. Если же вам необходимо узнать что-то помасштабнее, то вам могут быть предложены тесты на определение вероятности появления у вас тех или иных заболеваний, а также вашей этнической принадлежности. Как уже говорилось ранее, прохождение данных тестов сильно варьируется в цене в зависимости от вашего места рождения. Так, если в США расценки начинаются от 100 долларов, то большинство компаний РФ предлагают пройти аналогичный тест с ценами в пределах 20-30 тысяч рублей.

Тест, направленный на исследование вашего генома, может найти ваших родственников из самых удаленных уголков планеты

Кармические долги

Собственно говоря, генетики неожиданно научно доказали существование кармы. Кармические долги — это и есть те программы, которые нам приходится отрабатывать (за дядю, за тётю и прочих родственников).

Прежде всего, родители — не носители, а «передатчики» генетической информации: наследование идёт через поколение. То есть, внуки получат и нерешённые проблемы бабушки с дедушкой, и реализацию их мечтаний. Схематически всё это выглядит так. Бабушка мечтала стать актрисой — внучка окажется на сцене, пусть даже на ролях «кушать подано». Дед пережил развод — и внуку придётся пройти через семейную драму.

Причём, очень важно, когда именно у предка случилось несчастье, с которым он не сумел справиться. Наиболее «опасен» возраст до 35 лет: все дедушкины шишки внук получит со стопроцентной гарантией

Внешне это может выглядеть совершенно дико, нелогично: у человека внезапно, как бы беспричинно круто меняется жизнь. К худшему, разумеется. Например, несчастье случилось с дедом, когда ему было 28 лет. До 28 внучек живёт и в ус не дует, а строго в этот год у него всё рушится: бизнес, личная жизнь, здоровье.

Конечно, речь не о том, что его судьба полностью повторит судьбу деда. Но перед ним встанет проблема, которую не сумел решить предок, а уж «условия задачи» могут быть совершенно иными.

Например, дед в этом возрасте спился — то есть не смог решить проблему алкогольной зависимости. У внука также возникает зависимость — от игры, от человека (роковая любовь), от наркотиков… То есть происходит перекодировка судьбы: его жизнь как бы перескакивает на другие рельсы — на путь, который должен был пройти дед. И пока он не решит в собственной жизни дедушкину проблему, он на свою дорогу не вернётся. Если же и ему не удастся «победить дракона», задачка достанется его потомкам.

Приведёт ли это всё к «редактированию» будущих детей?

Огромные усилия в медицине направлены на то, чтобы исправить дефектные гены у детей и взрослых. Но некоторые исследования показали, что есть возможность редактировать гены у эмбрионов. В 2017 году учёные, созванные Национальной Академией Наук и Национальной Академией Медицины США, сдержанно поддержали редактирование генома у человеческих эмбрионов для предотвращения самых серьёзных заболеваний, но только один такой опыт оказался безопасным.

Любые изменения на эмбриональной стадии повлияют на все клетки человека и будут переданы его детям, поэтому очень важно избегать вредоносных ошибок и побочных эффектов. Проектирование человеческих эмбрионов также поднимает вопрос непростой перспективы «дизайна» детей, когда эмбрионы редактируются больше по социальным, чем по медицинским причинам; например, чтобы сделать человека выше или умнее

Однако такие черты могут контролироваться тысячами генов, большинство из которых ещё неизвестны. Поэтому на данный момент перспектива редактирования генома будущего потомства весьма отдалённая.

Альтернативные генетические коды

Нестандартные аминокислоты

В некоторых белках нестандартные аминокислоты заменяются стандартными стоп-кодонами в зависимости от ассоциированных сигнальных последовательностей в матричной РНК. Например, UGA может кодировать селеноцистеин, а UAG может кодировать пирролизин . Селеноцистеин стал считаться 21-й аминокислотой, а пирролизин — 22-й. В отличие от селеноцистеина, UAG, кодируемый пирролизином, транслируется с участием специальной аминоацил-тРНК синтетазы . И селеноцистеин, и пирролизин могут присутствовать в одном организме. Хотя генетический код обычно фиксируется в организме, ахеальный прокариот Acetohalobium arabaticum может расширять свой генетический код с 20 до 21 аминокислоты (за счет включения пирролизина) в различных условиях роста.

Вариации

Генетический код логотипа на Globobulimina pseudospinescens митохондриального генома. На логотипе слева направо показаны 64 кодона, предсказанные альтернативы показаны красным цветом (относительно стандартного генетического кода). Красная линия: стоп-кодоны. Высота каждой аминокислоты в стопке показывает, как часто она выравнивается с кодоном в гомологичных доменах белка. Высота стека указывает на поддержку прогноза.

Варианты стандартного кода были предсказаны в 1970-х годах. Первый был открыт в 1979 году исследователями митохондриальных генов человека . После этого было обнаружено множество небольших вариантов, включая различные альтернативные митохондриальные коды. Эти второстепенные варианты, например, включают трансляцию кодона UGA в виде триптофана у видов Mycoplasma и трансляцию CUG в виде серина, а не лейцина в дрожжах «клады CTG» (таких как Candida albicans ). Поскольку вирусы должны использовать тот же генетический код, что и их хозяева, модификации стандартного генетического кода могут мешать синтезу или функционированию вирусного белка. Однако вирусы, такие как тотивирусы , адаптировались к модификации генетического кода хозяина. У бактерий и архей обычными стартовыми кодонами являются GUG и UUG. В редких случаях некоторые белки могут использовать альтернативные стартовые кодоны. Удивительно, но вариации в интерпретации генетического кода существуют также в человеческих генах, кодируемых ядром: в 2016 году исследователи, изучающие трансляцию малатдегидрогеназы, обнаружили, что примерно в 4% мРНК, кодирующих этот фермент, стоп-кодон естественным образом используется для кодирования аминокислоты триптофан и аргинин. Этот тип перекодирования вызывается контекстом стоп-кодонов с высоким уровнем считывания и называется функциональным считыванием трансляций .

Несмотря на эти различия, все известные природные коды очень похожи. Механизм кодирования одинаков для всех организмов: трехосновные кодоны, тРНК , рибосомы, чтение в одном направлении и перевод отдельных кодонов в отдельные аминокислоты. Самые крайние вариации встречаются у некоторых инфузорий, где значение стоп-кодонов зависит от их положения в мРНК. Находясь близко к 3′-концу, они действуют как терминаторы, в то время как во внутренних положениях они либо кодируют аминокислоты, как у Condylostoma magnum, либо запускают рибосомный сдвиг рамки считывания, как у Euplotes .

Решение задач по расшифровке генетического кода

В молекулярной биологии широко используется таблица генетического кода. Ее применяют для определения последовательности аминокислот в белке.

Используя таблицу для расшифровки генетического кода, следует вспомнить сокращенные названия аминокислот, которые нам понадобятся при решении задач.

Рассмотри алгоритм действий при решении задач на определение генетического кода.

1. Разделим участок молекулы ДНК на отдельные триплеты: ААГ – ЦТТ – ТГЦ – ЦАГ.

2. Первый триплет начинается с аденина А ищем его в первом горизонтальном столбце. Учитываем, что нуклеотиды ДНК расположены в таблице генетического кода в скобках. Второе основание тоже аденинА расположен во втором горизонтальном столбце. Третье основание – гуанин Г, расположен в последнем столбце таблицы генетического кода. На пересечении столбцов мы находим необходимую аминокислоту – Фен, используя таблицу сокращений аминокислот, узнаем, что это фенилаланин.

3. Таким же способом определяем аминокислоты ещё для трех триплетов.

В итоге получаем для триплета ЦТТ – глутаминовая кислота, ТГЦ кодирует треонин, а ЦАГ – валин. Тогда у нас получилась следующая последовательность аминокислот: Фен – Глу – Тре – Вал. Соответственно, из данного отрезка молекулы ДНК образуется белок, состоящий из полученной последовательности аминокислот. Биосинтез белка сложный, многоступенчатый процесс, который рассмотрим в следующем пункте.

В чем смысл?

Энтузиазм вокруг темы редактирования генома объясняется возможностью лечить или предотвращать заболевания. Существуют тысячи генетических нарушений, которые передаются от поколения к поколению; многие из них – серьёзные и разрушительные. И они не редки: один ребёнок из двадцати пяти рождается с генетическим заболеванием. Среди самых распространённых – муковисцидоз (заболевание, которое характеризуется поражением желез внешней секреции – прим.), серповидноклеточная анемия (изменение строения белка гемоглобина, ведущее к тяжёлой форме анемии – прим.) и мышечная дистрофия.

Редактирование генома вселяет надежду на то, что эти болезни могут быть побеждены путём «переписывания» повреждённых генов в клетках пациента. Однако починка дефектных генов  – это ещё не все возможности; уже есть опыт модифицирования иммунных клеток человека для борьбы с раком или для повышения их устойчивости к ВИЧ-инфекции. Также возможно исправление дефектных генов у человеческого эмбриона – таким образом можно предотвратить наследование серьёзных заболеваний. Но эта технология неоднозначна, так как генетические изменения могут распространиться на сперму или яйцеклетки пациента, то есть все внесённые генетические корректировки и любые побочные эффекты могут быть переданы следующим поколениям.

Триплетность

Генетический код, как и многое сложно организованные система имеет наименьшую структурную и наименьшую функциональную единицу. Триплет ― наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх нуклеотидов. Кодон ― наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами называют триплеты иРНК. В генетическом коде кодон выполняет несколько функций. Во-первых, главная его функция заключается в том, что он кодирует одну аминокислоту. Во-вторых, кодон может не кодировать аминокислоту, но, в этом случае, он выполняет другую функцию (см. далее). Как видно из определения, триплет ― это понятие, которое характеризует элементарную структурную единицу генетического кода (три нуклеотидов). Кодон ― характеризует элементарную смысловую единицу генома ― три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепочки одной аминокислоты.

Элементарную структурную единицу вначале расшифровали теоретически, а затем её существование подтвердили экспериментально. И действительно, 20 аминокислот невозможно закодировать одним или двумя нуклеотидом т.к. последних всего 4. Три нуклеотида из четырёх дают 43 = 64 варианта, что с избытком перекрывает число имеющихся у живых организмах аминокислот (см.табл. 1).

Представленные в таблице 64 сочетания нуклеотидов имеют две особенности. Во-первых, из 64 вариантов триплетов только 61 являются кодонами и кодируют какую-либо аминокислоту, их называют смысловые кодоны. Три триплета не кодируют.

Таблица 1.

Как пользоваться этой таблицей, смотрите в этом видео:

Стоп-кодоны

Кодоны информационной РНК и соответствующие им аминокислоты являются стоп-сигналами, обозначающие конец трансляции. Таких триплетов три ― УАА, УАГ, УГА, их ещё называют «бессмысленные» (нонсенс кодоны). В результате мутации, которая связана с заменой в триплете одного нуклеотида на другой, из смыслового кодона может возникнуть бессмысленный кодон. Такой тип мутации называют нонсенс-мутация. Если такой стоп-сигнал сформировался внутри гена (в его информационной части), то при синтезе белка в этом месте процесс будет постоянно прерываться ― синтезироваться будет только первая (до стоп-сигнала) часть белка. У человека с такой патологией будет ощущаться нехватка белка и возникнут симптомы, связанные с этой нехваткой. Например, такого рода мутация выявлена в гене, кодирующем бета-цепь гемоглобина. Синтезируется укороченная неактивная цепь гемоглобина, которая быстро разрушается. В результате формируется молекула гемоглобина, лишённая бета-цепи. Понятно, что такая молекула вряд ли будет полноценно выполнять свои обязанности. Возникает тяжёлое заболевания, развивающееся по типу гемолитической анемии (бета-ноль талассемия, от греческого слова «Таласа» ― Средиземное море, где эта болезнь впервые обнаружена).

Механизм действия стоп-кодонов отличается от механизма действия смысловых кодонов. Это следует из того, что для всех кодоны, кодирующие аминокислоты, найдены соответствующие тРНК. Для нонсенс-кодонов тРНК не найдены. Следовательно, в процессе остановки синтеза белка тРНК не принимает участие.

Кодон АУГ (у бактерий иногда ГУГ) не только кодируют аминокислоту метионин и валин, но и является инициатором трансляции.

Неканонические значения кодонов

По крайней мере у 16 типов организмов генетический код отличается от канонического. Например многие виды зелёных водорослей Acetabularia транслируют стандартные стоп-кодоны UAG и UAA в аминокислоту глицин, а гриб Candida интерпретирует РНК-кодон CUG не как лейцин, а как серин. А у митохондрий пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) четыре из шести кодонов, обычно транслирующихся в лейцин, кодируют треонин.
Существование таких вариаций свидетельствует о возможной эволюции генетического кода.

Представители всех трёх доменов живых организмов иногда прочитывают стандартный стоп-кодон UGA как 21-ю аминокислоту селеноцистеин, не относящуюся к 20 стандартным. Селеноцистеин образуется при химической модификации серина на стадии, когда последний ещё не отсоединился от тРНК в составе рибосомы.

Аналогично у представителей двух доменов (архебактерий и бактерий) стоп-кодон UAG прочитывается как 22-я аминокислота пирролизин.

Нуклеиновые кислоты

Признаки нуклеиновых кислот	Виды нуклеиновых кислот
1.Состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в спираль; 2.Состоит из одной полинуклеотидной неспирализованной цепи; 3.Передает наследственную информацию из ядра к рибосоме; 4.Является хранителем наследственной информации; 5.Состоит из нуклеотидов:АТГЦ; 6. Состоит из нуклеотидов:АУГЦ;	А). ДНК;   Б). РНК

12. Назовите компоненты нуклеотидов:

1.ДНК 2.РНК 3.АТФ

а) рибоза; д) тимин; б) фосфорная кислота; е) урацил; в) аденин; ж) гуанин; г) дезоксирибоза; з) цитозин

13.Функции углеводов в клетке:

а) каталитическая; б) структурная; в) запасающая;

г) двигательная; д) сократительная; е) энергетическая.

14. Функции воды в клетке:

а) каталитическая; б) энергетическая. в)среда для химических реакций;

г) является растворителем; д) сократительная; е) терморегуляция.

ТЕСТ№2.СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КЛЕТОК

1.Структуры, имеющиеся в растительных клетках, но отсутствуют в животных:

а) пластиды; б) микроворсинки; в)центриоли; г) цитоплазма.

2. Процессы, происходящие в рибосомах:

а) фотосинтез; б) синтез липидов; в) синтез АТФ; г) синтез белков.

3. Растения, грибы, животные – это эукариоты, так как их клетки:

а) не имеют оформленного ядра;

б) не делятся митозом;

в) имеют оформленное ядро;

г) имеют ядерную ДНК, замкнутую в кольцо.

4. Организмы самостоятельно синтезируют органические вещества из неорганических:

а) автотрофы; в) хемотрофы;

б) гетеротрофы; г) фототрофы.

5. Отметьте пластиды, содержащиеся в растительных клетках:

а) мезосомы; в) протопласты;

б) хлоропласты. г) нуклеосомы;

6. О единстве органического мира свидетельствует:

а).круговорот веществ; в).взаимосвязь организмов и среды;

б).клеточное строение организмов; г).приспособленность организмов к среде

7. С появлением какой структуры, ядро обособилось от цитоплазмы:

а) хромосомы; в) ядрышка;

б) ядерного сока; г) ядерной оболочки.

8.Ядро клетки состоит из:

а) ядерной оболочки с порами, ядрышка, хроматина;

б) ядерной оболочки с порами, хроматина и кариоплазмы;

в) ядерной оболочки с порами, ядрышка, хроматина и кариоплазмы;

г) ядерной оболочки, ядрышка и кариоплазмы;

9.Какие органоиды не имеют мембранного строения:

а) митохондрии; в) пластиды;

б) рибосомы; г) аппарат Гольджи

10. На мембранах каких органоидов клетки располагаются рибосомы?

а) хлоропластов; в) комплекса Гольджи;

б) лизосом; г) эндоплазматической сети.

Что такое геном?

У большинства организмов в каждой клетке множество генов. Они работают не каждый сам по себе, а взаимодействуя друг с другом. Скажем, у львиного зева есть один ген, который определяет белую окраску лепестков, а другой – их красный цвет. Если оба эти гена оказались у одного растения, его цветы будут розовыми.

Гены могут подавлять или усиливать действие друг друга. Так, есть группа генов, которая определяет насыщенность кожи людей пигментом меланином. Чем больше у конкретного человека таких генов, тем темнее у него кожа. В общем, есть смысл говорить о геноме – совокупности генов одного организма (часто вместо этого используют термин «генотип»). Размеры генома очень различаются. Есть вирусы, у которых всего 2–3 гена; у человека же 20–25 тысяч пар активных генов.

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 .

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.

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.

Аминокислотные биохимические свойства

Неполярный

Полярный

Базовый

Кислый ↓

Прекращение: стоп-кодон *

Сравнение трансляций кодонов с альтернативными и стандартными генетическими кодами

Код	Таблица перевода	Кодон ДНК задействован	РНК-кодон вовлечен	Перевод с этим кодом	Стандартный перевод	Заметки
	1					Включает таблицу перевода 8 ( хлоропласты растений ).
Митохондрии позвоночных	2	AGA	AGA	Стоп *	Арг (R)
AGG	AGG	Стоп *	Арг (R)
ATA	AUA	Встреча (M)	Иль (I)
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
Митохондриальные дрожжи	3	ATA	AUA	Встреча (M)	Иль (I)
CTT	CUU	Thr (T)	Лей (L)
CTC	CUC	Thr (T)	Лей (L)
CTA	CUA	Thr (T)	Лей (L)
CTG	CUG	Thr (T)	Лей (L)
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
CGA	CGA	отсутствующий	Арг (R)
CGC	CGC	отсутствующий	Арг (R)
Плесень, простейшие и кишечнополостные митохондрии + микоплазма / спироплазма	4	TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *	Включает таблицу трансляции 7 ( кинетопласты ).
Митохондриальные беспозвоночные	5	AGA	AGA	Сер (S)	Арг (R)
AGG	AGG	Сер (S)	Арг (R)
ATA	AUA	Встреча (M)	Иль (I)
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
Инфузорное, дазикладовое и гексамитовое ядерное	6	TAA	UAA	Gln (Q)	Стоп *
ТЕГ	UAG	Gln (Q)	Стоп *
Митохондрии иглокожих и плоских червей	9	AAA	AAA	Asn (N)	Лис (К)
AGA	AGA	Сер (S)	Арг (R)
AGG	AGG	Сер (S)	Арг (R)
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
Эуплотид ядерный	10	TGA	UGA	Цис (С)	Стоп *
Бактериальные, архейные и растительные пластиды	11					См. .
Альтернативные дрожжевые ядерные	12	CTG	CUG	Сер (S)	Лей (L)
Асцидий митохондриальный	13	AGA	AGA	Гли (G)	Арг (R)
AGG	AGG	Гли (G)	Арг (R)
ATA	AUA	Встреча (M)	Иль (I)
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
Альтернативный митохондриальный плоский червь	14	AAA	AAA	Asn (N)	Лис (К)
AGA	AGA	Сер (S)	Арг (R)
AGG	AGG	Сер (S)	Арг (R)
TAA	UAA	Тюр (Y)	Стоп *
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
Ядерная блефария	15	ТЕГ	UAG	Gln (Q)	Стоп *	По состоянию на 18 ноября 2016 г .: отсутствует в обновлении NCBI. Аналогично .
Митохондрии Chlorophycean	16	ТЕГ	UAG	Лей (L)	Стоп *
Митохондриальные трематоды	21 год	TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
ATA	AUA	Встреча (M)	Иль (I)
AGA	AGA	Сер (S)	Арг (R)
AGG	AGG	Сер (S)	Арг (R)
AAA	AAA	Asn (N)	Лис (К)
Scenedesmus obliquus митохондриальный	22	TCA	УЦА	Стоп *	Сер (S)
ТЕГ	UAG	Лей (L)	Стоп *
Митохондриальный Thraustochytrium	23	TTA	UUA	Стоп *	Лей (L)	Аналогично .
Птеробранхии митохондриальные	24	AGA	AGA	Сер (S)	Арг (R)
AGG	AGG	Лис (К)	Арг (R)
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
Кандидат в разделение SR1 и Gracilibacteria	25	TGA	UGA	Гли (G)	Стоп *
Пахисолен tannophilus ядерный	26 год	CTG	CUG	Ала (А)	Лей (L)
Кариореликт ядерный	27	TAA	UAA	Gln (Q)	Стоп *
ТЕГ	UAG	Gln (Q)	Стоп *
TG	UGA	Стоп *	или же	Trp (Вт)	Стоп *
Кондилостома ядерная	28 год	TAA	UAA	Стоп *	или же	Gln (Q)	Стоп *
ТЕГ	UAG	Стоп *	или же	Gln (Q)	Стоп *
TGA	UGA	Стоп *	или же	Trp (Вт)	Стоп *
Мезодиниум ядерный	29	TAA	UAA	Тюр (Y)	Стоп *
ТЕГ	UAG	Тюр (Y)	Стоп *
Перитрих ядерный	30	TA	UAA	Glu (E) ↓	Стоп *
ТЕГ	UAG	Glu (E) ↓	Стоп *
Бластокритидия ядерная	31 год	TAA	UAA	Стоп *	или же	Glu (E) ↓	Стоп *
ТЕГ	UAG	Стоп *	или же	Glu (E) ↓	Стоп *
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *
Митохондриальный код Cephalodiscidae	33	AGA	AGA	Сер (S)	Арг (R)	Аналогично .
AGG	AGG	Лис (К)	Арг (R)
TAA	UAA	Тюр (Y)	Стоп *
TGA	UGA	Trp (Вт)	Стоп *