ПРИРОДА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПЛАН 1.Введение. 2.Гены и белки 3.Внутригенная комплементация

1. Введение Гипотеза «1 ген – 1 фермент», обоснованная в 40-х годах, допускала два возможных объяснения взаимосвязи между генами и признаками – гены либо сами являются специфичными белками- ферментами, либо, каким то образом, определяют строение ферментов. В те годы генетическая роль ДНК еще не была установлена и многие генетики склонялись к признанию белковой природы генов. Первый шаг к раскрытию сущности генетической информации был сделан в 1949 году, ещё до появления модели строения ДНК.

1. Гены и белки Взаимосвязь между генами и строением белков впервые была показана при изучении одной из болезней человека – серповидно клеточной анемии. У больных при низкой концентрации кисло- рода в воздухе (например, в высокогорье) эритроциты принима- ют серповидную форму (рис.1). Это приводит к комплексу на- рушений (рис.2), главным из которых является недостаточное снабжение организма кислородом. В условиях пониженного парциального давления кислорода у родителей таких больных (гетерозигот) болезнь проявляется в легкой форме. Особенно часто серповидно клеточная анемия встречается во влажных экваториальных районах, где распространена тропическая маля- рия. Малярийный плазмодий не может развиваться в крови но- сителей серповидно клеточной анемии. Носители мутантного гена (гетерозиготы) имеют в этих районах селективное преиму- щество перед нормальными гомозиготами – они не страдают ни от малярии, ни от анемии.

Рис.1. Форма эритроцита: А – нормального; Б - серповидного В 1949 г. было высказано предположение, что серповидная форма эритроцитов обусловлена рецессивной мутацией одного гена: больные являются гомозиготами, а оба родителя больных – гетерозиготы. Нобелевский лауреат Лайнус Поллинг с сотрудниками решили узнать, отличается или нет гемоглобин серповидных клеток (HbS) от нормального (HbA). Для этого применили метод электрофореза. Оказалось, что эти гемоглобины существенно отличаются по подвижности в электрическом поле (рис.3).

Рис. 2. Комплекс аномалий, характерных для больных серповидноклеточн ой анемией

Рис. 3. Электрофоретическая подвижность гемоглобина здорового человека (вверху) и больного (в середине). У предполагаемых гетерозигот (внизу) имеются обе формы гемоглобина (внизу) (Айала, Кайгер, 1988)

Очевидно, мутация, вызывающая серповидно- клеточность, связана с изменениями белка – гемоглобина. У гомозигот в эритроцитах имеются только изменённые молекулы гемоглобина (HbS), у гетерозигот есть как изменённые, так и нормальные молекулы (HbA). Логично было предположить, что в генах, определяющих структуру белковых цепей молекулы гемоглобина, закодирована информация об их аминокислотном составе. Молекула гемоглобина состоит из четырёх полипептидных цепей – двух идентичных α–цепей (по 141 аминокислотному остатку в каждой) и двух идентичных β-цепей (по 146 аминокислотных остатков).

В 1957 году предположение Л. Поллинга было экспериментально доказано Верноном Ингрэмом. Он определил, что в шестом положении β-цепи нормально- го гемоглобина находится остаток глутаминовой кислоты, а в серповидноклеточном гемоглобине он заменён на валин: β-цепь HbA : Вал – Гис – Лей – Тре – Про – Глу – Глу - … Номер аминокис- лоты в β-цепи: β-цепь HbS : Вал – Гис – Лей – Тре – Про – Вал – Глу - …

Таким образом, стало очевидно, что генетическая информация – это информация о последовательности аминокислотных остатков в полипептидных цепях, т.е. в белках.

Многие белки состоят из двух и более различающихся полипептидных цепей, каждая из которых кодируется своим геном. Поэтому формулировка «один ген – один фермент» была уточнена – «один ген – одна полипептидная цепь». Как мутации генов могут повлиять на активность закодированных в них ферментов? Активность молекулы фермента сильно зависит от её пространственной (третичной) структуры, которая, в свою очередь, определяется первичной структурой полипептидной цепи. Одни мутации (нонсенс-мутации) могут блокировать синтез всей полипептидной цепи или некоторой её части. Ясно, что у таких мутантов данный фермент будет отсутствовать. Другие мутации связаны с отдельными аминокислотными заменами в полипептидной цепи. Эти замены могут затрагивать функционально важные аминокислотные остатки, а также вызывать искажения пространственной структуры молекулы. В зависимости от того, насколько сильно эти искажения сказываются на структуре функционально важных участков, может наблюдаться снижение и даже полное исчезновение ферментативной или иной функциональной активности белка.

2. Внутригенная комплементация Многие белки состоят из двух или нескольких идентичных полипептид- ных цепей, образующих функционально активную четвертичную белковую структуры. В простейшем случае это - димер (α 2 ), состоящий из двух одинако- вых субъединиц (α). Например, пусть некие мутантные аллели m 1 и m 2 одного и того же гена в условиях гомозиготности (m 1 m 1 и m 2 m 2 ) приводят к некото- рому мутантному фенотипу (к отсутствию определенной ферментативной активности). На основании сформулированных представлений следовало бы полагать, что поскольку обе мутации затрагивают один и тот же ген, то и ге- терозиготы m 1 m 2 также должны иметь мутантный фенотип. В большинстве случаев для генов, кодирующих олигомерные белки, это действительно так. Но известны примеры отклонений от этого правила - две «дефектные» поли- пептидные цепи, кодируемые содержащимися в двойной гетерозиготе генами с различными мутациями, могут объединиться с образованием олигомерного белка, обеспечивающего более или менее нормальный фенотип. Это явление называют внутригенной комплементацией (рис.4). Некоторые гетероаллели данного гена могут проявлять способность к комплементации такого рода, а некоторые - нет. Это зависит от локализации конкретных мутаций, которые в одном случае могут затрагивать участки полипептидной цепи, ответственные за взаимодействие между субъединицами, а в другом - области, не участвующие непосредственно в процессе олигомеризации, но существенные для проявления функциональной активности данного белка.

Рис. 4. Схема, иллюстрирующая внутригенную комплементацию на примере двух мутантных полипептидов, взаимодействующих в цитоплазме двойной гетерозиготы с образованием олигомерного белка с восстановленной функцией.

Выводы 1. Мутация гена влечёт изменение строения белков. 2. Мутация (HbА) (HbS) приводит к замене лишь одной аминокислоты в полипептидной цепи. 3. Явление внутригенной комплементации показывает, что внутри гена могут быть разные мутации, т.е. ген – имеет некоторую линейную протяжённость. 4. Не все мутации одного и того же гена равноценны в функ- циональном смысле. Это согласуется с представлением о стро- ении ферментов – в молекуле имеется активный центр (изме- нение пространственного строения которого влияет на актив- ность фермента) и большая структурная часть, изменения которой могут несущественно влиять на активность фермента. 5. Общий вывод: ген – это некая протяженная структура, в которой закодирована последовательность аминокислот в полипептидной цепи.