Как ГМО спасает планету и почему люди этому мешают - Анна Витальевна Иванова

Здесь поможет разобраться картинка. Когда кодон мРНК оказывается внутри рибосомы, трудяги-тРНК тут же бегут к нему, размахивая каждый своей аминокислотой. Если антикодон подошедшей близко тРНК оказывается комплементарным кодону мРНК, находящемуся в данный момент «на рабочем столе» у рибосомы, тРНК отсоединяет свой полезный груз, и аминокислота присоединяется к растущей белковой цепи. Затем тРНК налегке уплывает из рибосомы, чтобы поймать себе следующую подходящую к ее антикодону аминокислоту. И повторить все сначала, доставив ее точно на рабочее место. Мне молекулы тРНК немного напоминают портняжек, которые бегают за клиентами с мерками в одной руке и готовым костюмом в другой. Стоит им встретить клиента, идеально подходящего под их мерки, как они тут же натягивают этот костюм на него.

Почему же в кодоне три буквы? И вот еще хороший вопрос: сколько же всего существует различных тРНК (то есть молекул с различными антикодонами)? Давайте посчитаем вместе. Мы знаем, что видов тРНК должно быть как минимум 20, чтобы можно было запрограммировать антикодонами все 20 необходимых аминокислот. Еще нам нужна комбинация для кодирования «точки» в тексте гена – стоп-кодона. Различных нуклеотидов же всего 4. Так что, если бы кодон состоял всего из одной буквы, то закодировать мы смогли бы лишь 4 аминокислоты. Маловато. Предположим далее, что кодон состоял бы из двух букв. Тогда на первой позиции может стоять любая из четырех (А, У, Г или Ц) и на второй позиции также любая из четырех: АА, АУ, АГ, АЦ, УА… Сколько всего таких вариантов? 4 x 4 = 16. А надо минимум 20 + 1. Снова не хватает. Перебираем варианты дальше. Для кодонов из трех букв на первом месте может стоять одна из 4 букв, на втором одна из 4 и на третьем также. Итого комбинаций: 4 × 4 × 4 = 64. Что даже больше, чем нужно. Но в данном случае эта избыточность дает очень сильные преимущества организмам. Поговорим об этом далее. А пока же подведем черту: по законам комбинаторики, во-первых, чтобы закодировать 20 аминокислот, нужно использовать как минимум трехбуквенные комбинации (поэтому второе название для кодона – триплет). А во-вторых, все по тем же законам комбинаторики, в клетке может существовать 64 различных тРНК[26].

Итак, получается, что любое комбинаторное сочетание из трех ДНК-овых букв дает всегда одну строго определенную аминокислоту (минус три возможные комбинации для стоп-кодона). Таким образом, зная это трехбуквенное сочетание, мы всегда можем точно сказать, какая аминокислота будет добавлена в белок. Видим кодон ЦГУ – знаем, что добавится аминокислота аргинин (R).

А если наоборот? Взгляните на таблицу. Каждой аминокислоте может соответствовать от одной комбинации (как у метионина) до сразу целых шести (как у лейцина). Но чаще все же это от двух до четырех различных комбинаций. Это свойство генетического кода называется избыточностью. Если мы увидим «белковую» букву R (аминокислоту аргинин), то будем в растерянности – как же именно перевести его обратно на язык РНК? Ведь и вариант ЦГУ будет правильный, и вариант АГГ, и еще целых 4 разных варианта! Эта невозможность произвести однозначный перевод в обратную сторону и называется страшным словом «вырожденность». Вырожденность генетического кода. Иногда мне кажется, что если бы в прошлом генетики придумывали термины попроще, больше людей доверяли бы сегодня этой науке.

Еще немножко про генетический код напоследок. Этакая вставка для читателей, которые любят самые хитрые подробности. Хотя мы и называем код универсальным, есть и здесь несколько исключений. В таких ситуациях мы называем код (или коды) альтернативным(и). Впервые альтернативный код обнаружили еще в 1979 году. Причем не где-то далеко, а прямо внутри нас! Оказалось, что генетический код митохондрий отличается от стандартного, о котором мы говорили на протяжении всей этой главы[27]. Вот, например, обычно кодон УГА означает «точку» – символ окончания трансляции (терминации), после которого аминокислотная цепочка отсоединяется от рибосомы. А вот в коде митохондрий УГА всего лишь кодирует аминокислоту триптофан! Кодон АУА вместо обычного для большинства живых организмов изолейцина соответствует метионину. Ну а так как митохондрии – органеллы внутри наших клеток, то получается совсем парадоксально: даже внутри наших тел действуют разные «правила перевода»! Но на самом деле это не так уж и удивительно, ведь мы уже знаем, что когда-то митохондрии были вольными и самостоятельными организмами, которых захватили и поставили себе на службу наши одноклеточные предки.

Своими вариациями генетического кода обладают также некоторые бактерии, водоросли, плоские черви, паразиты… А кое-кто из них даже умеет переключаться между тем, какой код им использовать, в зависимости от окружающих их условий[28]! Воистину, генетика – настоящее олицетворение утверждения, что из каждого правила просто обязаны быть исключения!

1.6. Чей это у вас тут ген?

Ну что, кажется, мы разобрали уже достаточно скучной теории, чтобы в первый раз начать говорить про интересные вещи, связанные с ГМО. Так и начнем! Вот нам загадка: если все организмы на планете (забудем на несколько минут обо всех исключениях, что мы чуть выше перечислили) записаны на одном универсальном генетическом «языке», то сможем ли мы понять, что в некий «помидор вставили ген скорпиона»[29]?

В большинстве случаев – да. Большая часть методик редактирования геномов оставляет за собой следы – вместе с целевым геном в геном вставляются определенные узнаваемые последовательности и маркеры. Такие следы довольно просто обнаружить при помощи молекулярно-биологических методов – например, при помощи ПЦР (полимеразной цепной реакции – операции, при которой возможно многократно копировать ДНК. Или только нужный ее фрагмент. Например, фрагмент, который мы надеемся обнаружить в геноме. Конечно, таким образом затруднительно найти любой чужеродный ген – нам нужно знать, что мы ищем, чтобы попробовать получить много копий этого, – но вполне возможно обнаружить гены и генетические маркеры, традиционно используемые при создании ГМ-организмов). Однако, если кто-то решит специально спрятать модификацию и не добавит никаких опознавательных последовательностей, то ответить однозначно, было проведено редактирование или нет, будет довольно сложно. Хотя кое-какие подсказки есть в руках именно у биоинформатиков.

Первая подсказка в том, что хотя мы и поговорили выше, как одна и та же аминокислота кодируется разными кодонами, встречаемость этих альтернативных кодонов в тексте одного гена и даже целого генома не равновероятна[30]. Вот аминокислота изолейцин может быть задана кодонами АУЦ, АУА или АУУ. Но возьмем, например, туберкулезную палочку (Mycobacterium tuberculosis). Ей нравится, чтобы кодоны в ее генах заканчивались на букву