Основы биохимии Том 3 - А. Ленинджер 1985

Молекулярные механизмы передачи генетической информации
Синтез белка и его регуляция
Генетический код расшифрован

Теперь мы рассмотрим более подробно, каким образом четырехбуквенный язык ДНК переводится на двадцатибуквенный язык белков. Уже давно было ясно. что для кодирования каждой аминокислоты требуется по меньшей мере три нуклеотидных остатка ДНК, поскольку из четырех кодовых букв ДНК (А, Т, G и С) можно составить всего 16 различных сочетаний по два (4² = 16), а этого недостаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот. Если же из четырех оснований составить сочетания по три, то можно получить 4³ = 64 различных комбинации. Ранние генетические эксперименты окончательно доказали не только то, что слова генетического кода для любой аминокислоты представляют собой триплеты нуклеотидов, но и то, что между кодонами для соседних аминокислот нет знаков препинания. Однако оставался невыясненным основной вопрос: какие конкретно трехбуквенные кодовые слова соответствуют каждой из аминокислот? Как можно определить это экспериментально?

В 1961 г. Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи сообщили о своем эксперименте, который стал важнейшим событием в этой области. Они инкубировали в двадцати различных пробирках синтетический полирибонуклеотид полиуридиловую кислоту с экстрактом из Е. coli, GTP и смесью двадцати аминокислот. В каждой пробирке радиоактивно меченной была только одна из аминокислот. Из того, что полиуридиловая кислота (ее обозначают polyU) представляет собой искусственную мРНК, несущую множество расположенных друг за другом триплетов UUU, следовало, что она должна направлять синтез радиоактивного полипептида, состоящего только из одной аминокислоты, а именно той, которая кодируется триплетом UUU. Радиоактивный полипептид синтезировался лишь в одной из двадцати пробирок в той, где находился радиоактивный фенилаланин. Радиоактивный полипептид оказался полифенилаланином, т. е. содержал только остатки фенилаланина. Отсюда Ниренберг и Маттеи сделали вывод о том, что триплет UUU кодирует фенилаланин. Очень скоро с помощью аналогичного подхода было найдено, что синтетическая матрица полицитидиловая кислота (polyC) кодирует синтез полипептида, состоящего из одних пролиновых остатков (полипролин), а полиадениловая кислота (polyA) кодирует полилизин. Следовательно, триплет ССС должен соответствовать пролину, а триплет ААА - лизину.

Использовавшиеся в этих экспериментах синтетические полинуклеотиды были получены с помощью полинуклеотид-фосфорилазы (разд. 28.28), которая легко образует РНК-подобные полимеры из ADP, UDP, CDP и GDP. Этому ферменту не нужна матрица; он синтезирует полимеры, нуклеотидный состав которых отражает относительные концентрации исходных нуклеозид-5'-дифосфатов, присутствующих в среде. Если в среде содержится один уридиндифосфат, то полинуклеотидфосфорилаза синтезирует только polyU. Если исходная смесь состоит из двух частей ADP и одной части GDP, то синтезируется полимер, в котором около двух третей составляют остатки А и одну треть - остатки G. В таком полимере с неспецифической нуклеотидной последовательностью, вероятно, много триплетов ААА, меньше триплетов AAG, AGA и GAA, сравнительно мало триплетов AGG, GGA и GAG и очень мало триплетов GGG. Используя разные синтетические полирибонуклеотиды, полученные при помощи полинуклеотидфосфорилазы из различных исходных смесей ADP, UDP, GDP и CDP и выполняющие роль мРНК, вскоре удалось определить состав триплетов для всех аминокислот. Однако эти эксперименты не давали возможность выявить нуклеотидную последовательность в каждом кодирующем триплете, т. е. понять, в каком порядке расположены буквы, составляющие этот кодон.

В 1964 г. Ниренберг и Филип Ледер сделали другое открытие, которое привело к решению этой проблемы. Они обнаружили, что выделенные из Е. coli рибосомы связывают специфическую аминоацил-тРНК даже в отсутствие GTP, если в смеси присутствует соответствующая синтетическая полинуклеотидная матрица. Например, рибосомы, инкубируемые с polyU и фенилаланил-тРНК связываются с обеими макромолекулами; если же рибосомы инкубируют с polyU и какой-нибудь другой аминоацил-тРНК, то последняя не связывается с рибосомами, поскольку ее антикодон не узнает триплет UUU в polyU-матрице. Самым коротким полинуклеотидом, способным обеспечить специфическое связывание фенилаланил-тРНК^Phe, оказался тринуклеотид UUU. С помощью простых тринуклеотидов известной структуры удалось установить нуклеотидную последовательность в кодонах, определяющих связывание разных аминоацил-тРНК. Использование этого и других подходов позволило вскоре выяснить нуклеотидную последовательность во всех триплетах для каждой аминокислоты. Эти кодовые слова были проверены множеством разных способов. Полный кодовый “словарь” аминокислот приведен на рис. 29-22. Расшифровка генетического кода явилась крупнейшим научным достижением 60-х годов.