Кіріспе

Генетикалық код – тірі жасушалардың генетикалық материалда (ДНК немесе РНК тізбектеріндегі нуклеотидтік үштіктер, яғни кодондар) кодталған ақпаратты ақуыздарға аудару үшін пайдаланатын ережелер жиынтығы. Аударма (трансляция) рибосома арқылы жүзеге асырылады, ол хабаршы РНК (мРНК) көрсеткен ретпен ақуыз түзетін аминокислоталарды байланыстырады, трансферлік РНК (тРНК) молекулаларын аминокислоталарды тасымалдау және мРНК-ны бір уақытта үш нуклеотидтен оқу үшін пайдаланады. Генетикалық код барлық организмдерде өте ұқсас және оны 64 жазбасы бар қарапайым кестеде көрсетуге болады. Кодондар ақуыз биосинтезі кезінде келесі қосылатын аминокислотаны анықтайды. Көптеген ерекшеліктерден басқа, нуклеин қышқылы тізбегіндегі үш нуклеотидтік кодон бір ғана аминокислотаны анықтайды. Гендердің көп бөлігі бір схемамен кодталған (РНК кодондық кестесін қараңыз). Бұл схема көбінесе канондық немесе стандартты генетикалық код деп аталады, немесе жай ғана генетикалық код деп айтылады, бірақ өзгертілген кодтар да бар (мысалы, митохондрияларда).

Тарих

1953 жылы ДНК құрылымы ашылғаннан кейін, ақуыздардың қалай кодталатынын түсінуге бағытталған зерттеулер басталды. Ағылшын биофизигі Фрэнсис Крик пен америкалық биолог Джеймс Уотсон Кембридж университетінің Кавендиш зертханасында бірлесіп жұмыс істегендері, ақпараттың ДНК-дан өтетіні және ДНК мен ақуыздардың арасында байланыс бар деген гипотезаны ұсынды. Кеңес-американ физигі Джордж Гамов ДНК-дан ақуыз синтезінің жұмысқа жарамды схемасын алғаш рет ұсынды. Ол тірі жасушалар ақуыздарды құру үшін пайдаланатын 20 стандартты аминқышқылын кодтау үшін үш негіздің (триплеттердің) жиынтығын қолдану қажеттігін болжады, бұл аминқышқылдардың максималды санын пайдалануға мүмкіндік береді. Ол осы ДНК-ақуыз өзара әрекеттесуін (алғашқы генетикалық кодты) «алмаз код» деп атады. 1954 жылы Гамов, Уотсонның ұсынысымен, гендерден ақуыздардың синтезіне қызығушылық танытқан түрлі көзқарастарға ие ғалымдар үшін бейресми ғылыми ұйым – РНК-Тай клубын құрды. Алайда, клубтың 20 тұрақты мүшесі болуы мүмкін, олардың әрқайсысы 20 аминқышқылының бірін ұсынуы керек; сондай-ақ ДНК-ның төрт нуклеотидін көрсететін төрт қосымша құрметті мүшесі болуы мүмкін. Клубтың алғашқы ғылыми еңбегі, кейін «ғылым тарихындағы ең маңызды жарияланбаған мақалалардың бірі» және «молекулалық биология жылнамасындағы ең әйгілі жарияланбаған мақала» деп танылды, оны Крик жасады. Крик 1955 жылдың қаңтарында клуб мүшелеріне «Дегенерациялық үлгілер және адаптерлік гипотеза туралы: РНК-Тай клубына ескерту» атты жазбаша жұмысын ұсынды, ол, Уотсонның айтуынша, «ақуыз синтезі туралы біздің ойлау жолымызды толығымен өзгертті». Гипотезаға сәйкес, үштік код Гамов ойлағандай тікелей аминқышқылына берілмейді, бірақ аминқышқылымен өзара әрекеттесетін басқа молекула – адаптер арқылы жеткізіледі.

Кодондар

Крик, Бреннер, Барнетт және Уоттс Тобин эксперименті кодонның үш ДНК негізінен тұратындығын алғаш рет көрсетті. Маршалл Ниренберг пен Дж. Генрих Маттай 1961 жылы кодонның табиғатын алғаш ашты. Олар полиурацил РНК тізбесін (яғни, UUUUU) аудару үшін жасушасыз жүйені қолданды және синтездеген полипептидтері тек фенилаланин аминқышқылынан тұратындығын анықтады. Осылайша, UUU кодоны фенилаланин аминқышқылын анықтайтынын тұжырымдады. Бұдан кейін Северо Очоаның зертханасында полиаденин РНК тізбектері (AAAAA) полилизин полипептидін, ал полицитозин РНК тізбектері (CCCCC) полипролин полипептидін кодтайтынын көрсеткен тәжірибелер жүргізілді. Сондықтан, ААА кодоны лизин аминқышқылын, ал ССС кодоны пролин аминқышқылын анықтайды. Әртүрлі сополимерлерді қолдану арқылы қалған кодондардың көпшілігі кейін анықталды. Хар Гобинд Хорананың жұмысы генетикалық кодтың қалған бөлігін анықтады. Көп ұзамай Роберт Холли РНК-ны ақуызға аудару процесін жеңілдететін адаптер молекуласы – трансфер РНК (tRNA) құрылымын анықтады. Бұл жұмыс Очоаның бұрынғы зерттеулеріне негізделген, ол РНК синтезінің ферменттеріндегі жұмысы үшін 1959 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды. Бұл жұмысты кеңейтіп, Ниренберг пен Филип Ледер кодтың үштік табиғатын ашып, оның кодондарын шешті. Бұл тәжірибелерде әртүрлі мРНК комбинациялары рибосомаларды қамтитын сүзгі арқылы өткізілді, рибосомалар – жасушалардың РНК-ны ақуызға аударатын компоненттері. Үштік комбинациялар белгілі бір тРНК-ның рибосомаға байланысуын қамтамасыз етті. Ледер мен Ниренберг өз тәжірибелерінде 64 кодонның 54-інің реттілігін анықтады. Хорана, Холли және Ниренберг өздерінің жұмысы үшін 1968 жылы Нобель сыйлығын алды. Үш тоқтау кодонын Ричард Эпштейн мен Чарльз Штайнберг атады. "Amber" атауы олардың досы Харрис Бернштейннің құрметіне берілді, өйткені оның тегі неміс тілінде "күнбұрғы" дегенді білдіреді. Қалған екі тоқтау кодоны "түс атаулары" тақырыбын сақтау үшін "охр" және "опал" деп аталды.

Кеңейтілген генетикалық кодтар (синтетикалық биология)

Кең академиялық аудиторияда генетикалық кодтың бастапқы және түсініксіз генетикалық кодтан 20 (+2) канондық аминқышқылдарының репертуары бар жақсы анықталған («мұздатылған») кодқа эволюциясы туралы түсінік кеңінен қабылданды. Дегенмен, оны тәжірибе жүзінде өзгертудің ең жақсы жолы туралы әртүрлі пікірлер, түсініктер, тәсілдер мен идеялар бар. Тіпті генетикалық кодқа синтетикалық аминқышқылдарының енуіне «кіру нүктелерін» болжайтын модельдер де ұсынылады. 2001 жылдан бері 40 табиғи емес аминқышқылы бірегей кодонды (қайта кодтау) және сәйкес келетін трансфер РНК: аминоацил-тРНК синтетаза жұпты құру арқылы ақуыз құрылымын және функциясын зерттеу құралы ретінде немесе жаңа немесе жақсартылған ақуыздарды жасау үшін әртүрлі физикалық-химиялық және биологиялық қасиеттерімен кодталған түрде ақуыздарға қосылды. Х. Мураками мен М. Сисидо кейбір кодондарды төрт және бес негізге дейін кеңейтті. Стивен А. Беннер функционалды 65-кодонды (in vivo) құрастырды. 2015 жылы Н. Будиса, Д. Сөлль және олардың әріптестері Escherichia coli бактериясының генетикалық кодындағы барлық 20 899 триптофан қалдықтарын (UGG кодондары) табиғи емес тиенопиррол аланинімен толық ауыстырғанын хабарлады. 2016 жылы тұңғыш тұрақты жартылай синтетикалық организм пайда болды – екі синтетикалық негізді (Х және Y деп аталады) (бір жасушалы) бактерия. Бұл негіздер жасушаның бөлінуінен аман қалды. 2017 жылы Оңтүстік Кореядағы зерттеушілер табиғи емес аминқышқылдары бар ақуыздарды өндіре алатын кеңейтілген генетикалық коды бар тышқанды жасағанын хабарлады. 2019 жылдың мамыр айында зерттеушілер Escherichia coli бактериясының жаңа «Syn61» штаммын жасағанын хабарлады. Бұл штамм толық синтетикалық геномға ие, ол қайта өңделген (барлық жапсырмалар кеңейтілген), қайта кодталған (64 кодонның үшеуі толығымен жойылған) және қазір қажет емес тРНК мен босату факторларын жою үшін одан әрі өзгертілген. Ол толығымен тірі қалуға қабілетті және оның «MDS42» жабайы түріндегі әріптесіне қарағанда 1,6 есе баяу өседі.

Оқу аясы

Оқу фреймі трансляция басталатын нуклеотидтердің бастапқы үштігімен анықталады. Ол "ашық оқу фреймі" (ORF) деп аталатын, бірінен соң бірі жапсарлас кодондар тізбегінің негізін қалайды. Мысалы, 5' AAATGAACG 3' (суретті қараңыз) тізбегі, бірінші позициядан оқылса, AAA, TGA және ACG кодондарын қамтиды; екінші позициядан оқылса, AAT және GAA кодондарын қамтиды; ал үшінші позициядан оқылса, ATG және AAC кодондарын қамтиды. Осылайша, кез келген тізбекті 5' → 3' бағытында үш оқу фреймінде оқуға болады, олардың әрқайсысы әртүрлі аминқышқылдар тізбесін шығаруы мүмкін: берілген мысалда, сәйкесінше, Lys (K) Trp (W) Thr (T), Asn (N) Glu (E) немесе Met (M) Asn (N) (омыртқалы жануарлардың митохондриялық кодымен аударғанда). ДНҚ екі жіпті болса, алты мүмкін оқу фреймі анықталады: бір жіпте үш тікелей және екінші жіпте үш кері бағытта. Үш тоқтату кодонының атаулары бар: UAG – янтарь, UGA – опал (кейде құмыр деп те аталады), ал UAA – охра. Тоқтату кодондары "аяқтау" немесе "мағынасыз" кодондар деп те аталады. Олар рибосомадан жаңа пайда болған полипептидтің босатылуын сигналдайды, себебі ешқандай гомологты тРНК-да осы тоқтату сигналдарына толыққанды антикодондар жоқ, бұл босату факторының рибосомаға байланысуына мүмкіндік береді.

Мутациялардың әсері

ДНҚ репликациясы процесінде екінші тізбектің полимерленуі кезінде кейде қателер пайда болады. Бұл қателер, мутациялар, организмнің фенотипіне әсер етуі мүмкін, әсіресе егер олар геннің ақуызды кодтау тізбегінде туындаса. Қателік деңгейі әдетте 10–100 миллион негізге 1 қателік құрайды, бұл ДНҚ полимеразаларының «тексеру» қабілетіне байланысты. Миссенс мутациялары және нонсенс мутациялары – бұл серпалы жасуша ауруы және талассемия сияқты генетикалық ауруларды тудыруы мүмкін нүктелік мутациялардың мысалдары. Клиникалық тұрғыдан маңызды миссенс мутациялары әдетте кодталған аминқышқыл қалдықтарының қасиеттерін – негіздік, қышқылдық, полярлық немесе полярлық емес күйлер арасында өзгертеді, ал нонсенс мутациялары тоқтату кодонына әкеледі. 3 нуклеотидтік негіздің еселігіне жетпейтін инсерциялар (қосылулар) немесе делетциялар (жоюлар) арқылы оқу тізбегінің бұзылуына себеп болатын мутациялар, сдвиг мутациялары деп аталады. Бұл мутациялар әдетте бастапқыдан мүлдем өзгеше аудармаға алып келеді және ақуызды уақытынан бұрын тоқтату кодонына жеткізіп, оның қысқаруына себеп болуы мүмкін. Бұл мутациялар ақуыздың функциясын бұзуы мүмкін, сондықтан in vivo ақуызды кодтау тізбектерінде сирек кездеседі. Сдвиг мутацияларының мұраға қалуының сирек болуының бір себебі – егер аудармадағы ақуыз организмге тән селекциялық қысым жағдайында өсу үшін маңызды болса, функционалды ақуыздың болмауы организм тірі қалуға үлкермес бұрын өлімге алып келуі мүмкін. Сдвиг мутациялары Тай-Сакс ауруы сияқты ауыр генетикалық ауруларға әкелуі мүмкін. Көптеген мутациялар ақуыз тізбегін өзгертетін зиянды немесе бейтарап болғанымен, кейбір мутациялар пайдалы болуы мүмкін. Бұл мутациялар мутант организмге жабайы типтегі организмдерге қарағанда белгілі бір қоршаған орта стресіне жақсы төтеп беруге немесе жылдам көбейуге мүмкіндік беруі мүмкін. Мұндай жағдайларда мутация табиғи іріктеу арқылы популяцияда жиірек кездесе бастайды. РНК-ны генетикалық материал ретінде пайдаланатын вирустарда мутация жылдамдығы жоғары болады, бұл олардың артықшылығы болуы мүмкін, себебі бұл вирустар жылдам эволюциялайды және иммундық жүйенің қорғаныс реакциясынан қаша алады. Жыныссыз көбейетін организмдердің, мысалы, E. coli, үлкен популяцияларында бірнеше пайдалы мутациялар бір уақытта пайда болуы мүмкін. Бұл құбылыс клоналдық интерференция деп аталады және мутациялар арасында бәсекелестікке әкеледі.

Өршілу

Дегенерация – генетикалық кодтың қайталануы. Бұл терминді Бернфилд пен Ниренберг берген. Генетикалық кодта қайталану бар, бірақ түсініксіздік жоқ (толық сәйкестік үшін төмендегі кодондық кестелерді қараңыз). Мысалы, GAA және GAG кодондары глутамин қышқылын көрсетеді (қайталану), бірақ екеуі де басқа амин қышқылын көрсетпейді (түсініксіздік жоқ). Бір амин қышқылын кодтайтын кодондар олардың үш позициясының кез келгенінде өзгеше болуы мүмкін. Мысалы, лейцин амин қышқылы YUR немесе CUN (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, немесе CUG) кодондарымен (IUPAC номенклатурасын қолданып, бірінші немесе үшінші позициядағы айырмашылық көрсетілген) көрсетіледі, ал серин амин қышқылы UCN немесе AGY (UCA, UCG, UCC, UCU, AGU, немесе AGC) кодондарымен (бірінші, екінші немесе үшінші позициядағы айырмашылық) көрсетіледі. Қайталанудың практикалық салдары – триплетті кодонның үшінші позициясындағы қателер тек үндемейтін мутацияны немесе белокқа әсер етпейтін қателерді тудырады, себебі амин қышқылының баламалы алмасуымен гидрофильділік немесе гидрофобтық қасиеттері сақталады; мысалы, NUN кодоны (N = кез келген нуклеотид) гидрофобтық амин қышқылын кодтауға бейім. NCN кішкентай мөлшерлі және орташа гидропатиялық амин қышқылы қалдықтарын береді; NAN орташа мөлшерлі гидрофильді қалдықтарды кодтайды. Генетикалық код гидропатиялық қасиетке өте жақсы бейімделген, сондықтан 12 айнымалының (4 нуклеотид x 3 позиция) математикалық талдауы (Сингулярлық құнды ыдырау) кодталған амин қышқылының гидропатиялық қасиетін тікелей үштік нуклеотидті тізбектен, аудармасыз болжау үшін таңғажайып сәйкестік (C = 0,95) береді. Төмендегі кестеде сегіз амин қышқылы кодонның үшінші позициясындағы мутацияларға мүлдем ұшырамайды, ал жоғарыдағы суретте екінші позициядағы мутация кодталған амин қышқылының физикалық-химиялық қасиеттерінде радикалды өзгерістер тудыруы мүмкін. Дегенмен, кодонның бірінші позициясындағы өзгерістер екінші позициядағы өзгерістерден гөрі маңыздырақ. Бұның себебі зарядтың кері айналуы (оң зарядтан теріс зарядқа немесе керісінше) белгілі бір кодонның бірінші позициясындағы мутациялар кезінде ғана жүзеге асуы мүмкін, бірақ кез келген кодонның екінші позициясындағы өзгерістер кезінде емес. Мұндай зарядтың кері айналуы ақуыздың құрылымы мен функциясына айқын әсер етуі мүмкін. Бұрынғы зерттеулер бұл мәселенің маңыздылығын толыққанды бағаламаған болуы мүмкін.

Стандартты емес амин қышқылдары

Кейбір белоктарда стандартты емес аминқышқылдары хабаршы РНК-дағы байланысты сигнал тізбектеріне сәйкес стандартты тоқтау кодондарының орнына қойылады. Мысалы, UGA селеноцистеинге, ал UAG пирролизинді кодтай алады. Селеноцистеин 21-ші аминқышқыл, ал пирролизин 22-ші аминқышқыл ретінде қабылданып алынды. Генетикалық код әдетте организмде өзгермейді, бірақ ахеалды прокариот Acetohalobium arabaticum өсудің әртүрлі жағдайларында генетикалық кодын 20-дан 21 аминқышқылға дейін кеңейте алады (пирролизинді қоса алғанда).

Вариациялар

[[FACIL генетикалық код логотипі. FACIL-дің Globobulimina pseudospinescens митохондриялық геномының генетикалық код логотипі. Бағдарлама протозой митохондриялық кодың қолданылып жатқанын дұрыс анықтайды. Алғашқы өзгеріс 1979 жылы зерттеушілер адам митохондриялық гендерін зерттеген кезде табылды. Кейін көптеген шағын нұсқалар ашылды. Бұл шағын өзгерістерге, мысалы, Mycoplasma түрлерінде UGA кодонының триптофанға аударылуы және "CTG кладының" (мысалы, Candida albicans) дрожжаларында лейциннің орнына серин ретінде CUG-тің аударылуы жатады. Вирустар өздерінің жауынмен бірдей генетикалық кодты пайдалануға тиіс болғандықтан, стандартты генетикалық кодтың өзгеруі вирус ақуыздарының синтезіне немесе жұмысына кедергі келтіруі мүмкін. Алайда, тотивирустар сияқты вирустар жауынның генетикалық кодты өзгертуіне бейімделген. Бактериялар мен археяларда GUG және UUG жиі басталу кодондары болып табылады. Сирек жағдайларда, кейбір ақуыздар балама басталу кодондарын пайдалана алады. Күтпегендей, генетикалық кодты түсіндірудегі өзгерістер адамның ядролық кодталған гендерінде де кездеседі: 2016 жылы малат дегидрогеназаның аудармасын зерттеген зерттеушілер осы ферментті кодтайтын мРНҚ-ның шамамен 4%-ында тоқтату кодонының триптофан және аргинин аминқышқылдарын кодтау үшін табиғи түрде қолданылатынын анықтады. Мұндай қайта кодтау жоғары деңгейде тоқтату кодонының оқылған контекстімен шақырылады және функционалдық трансляциялық оқу деп аталады. Осы айырмашылықтарға қарамастан, барлық белгілі табиғи кодтар өте ұқсас. Кодтау механизмі барлық организмдер үшін бірдей: үш базалық кодон, тРНҚ, рибосомалар, бір бағытта оқу және жеке кодондарды жеке аминқышқылдарға аудару. Ең күшті өзгерістер кейбір кірпікшелілерде кездеседі, онда тоқтату кодондарының мағынасы мРНҚ ішіндегі олардың орнына байланысты. 3'-ұшына жақын болғанда олар терминаторлар ретінде әрекет етеді, ал ішкі позицияларда олар Condylostoma magnum-дағыдай аминқышқылдарды кодтайды немесе Euplotes-тегідей рибосомалық кадрдың жылғаюын тудырады. Генетикалық кодтың пайда болуы мен өзгеруі, соның ішінде генетикалық кодтың эволюциялану механизмдері кеңінен зерттелді, және кейбір зерттеулерде кейбір организмдердің генетикалық кодтары тәжірибелік түрде эволюцияланды.

Қорытындылау

Организмдер қолданатын генетикалық кодтардың нұсқаларын сол геномда кодталған жоғары сақталған гендерді анықтау және оның кодондық қолданысын басқа организмдердің гомологты ақуыздарындағы аминқышқылдарымен салыстыру арқылы болжауға болады. Мысалы, FACIL бағдарламасы гомологты ақуыз домендеріндегі қандай аминқышқылдардың әр кодонға жиі сәйкес келетінін іздеу арқылы генетикалық кодты анықтайды. Нәтижесінде алынған әр кодон үшін аминқышқылының (немесе тоқтау кодонының) ықтималдығы генетикалық код логотипі түрінде көрсетіледі. 2022 жылғы қаңтар айына дейін генетикалық кодтардың ең толық шолуын Шульгина және Эдди жасады, олар Codetta құралын пайдаланып 250 000 прокариоттық геномды тексерді. Бұл құрал FACIL-ге ұқсас тәсілді қолданады, бірақ оның Pfam дерекқоры үлкен. NCBI-ның 27 аударма тізімін ұсынғанына қарамастан, авторлар 5 жаңа генетикалық кодтың нұсқасын (тРНҚ мутацияларымен расталған) анықтап, бірнеше қателіктерді түзете алды. Кейін Codetta цилиялардың генетикалық кодтарының өзгеруін талдау үшін қолданылды.