ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -
გენეტიკური კოდი
გენეტიკური კოდი
ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობის მეშვეობით ცილების ამინომჟავური თანმიმდევრობის კოდირების ხერხი, რომელიც დამახასიათებელია ყველა ცოცხალი ორგანიზმისთვის.
დნმ-ში გამოიყენება ოთხი აზოტოვანი ფუძე — ადენინი (A), გუანინი (G), ციტოზინი (C), თიმინი (T). ეს ასოები ადგენენ გენეტიკური კოდის ანბანს. რნმ-ში გამოიყენება იგივე ნუკლეოტიდები, გარდა იმ ნუკლეოტიდისა, რომელიც შეიცავს თიმინს. იგი ჩანაცვლებულია ურაცილის (U) შემცველი მსგავსი ნუკლეოტიდით. დნმ-ისა და რნმ-ის მოლეკულებში ნუკლეოტიდები ლაგდება ჯაჭვში და ამგვარად იქმნება გენეტიკური ასოების თანმიმდევრობა.
იხ. ვიდეო - The genetic code
მცდელობები იმის გასაგებად, თუ როგორ აკოდირებს დნმ-ის თანმიმდევრობა ცილების ამინომჟავების თანმიმდევრობას, დაიწყო თითქმის მაშინვე მას შემდეგ, რაც დნმ-ის სტრუქტურა (ორმაგი სპირალი) შეიქმნა 1953 წელს. გეორგი გამოუმ ვარაუდობს, რომ კოდონები უნდა შედგებოდეს სამი ნუკლეოტიდისგან, ისე, რომ საკმარისი იყოს კოდონები 20 ამინომჟავისთვის (სულ, შესაძლებელია სამი ნუკლეოტიდის 64 განსხვავებული კოდონი: ოთხი ნუკლეოტიდიდან ერთი შეიძლება განთავსდეს სამივე პოზიციაზე). [3].
1961 წელს გენეტიკური კოდის სამმაგი ბუნება ექსპერიმენტულად დადასტურდა. იმავე წელს, მარშალ ნირენბერგმა და მისმა კოლეგამ ჰაინრიხ მატეი[en] გამოიყენეს უჯრედებისგან თავისუფალი სისტემა ინ ვიტრო თარგმნისთვის. შაბლონად იქნა მიღებული ოლიგონუკლეოტიდი, რომელიც შედგება ურაცილის ნარჩენებისგან (UUUU...). მისგან სინთეზირებული პეპტიდი შეიცავდა მხოლოდ ამინომჟავას ფენილალანინს. ასე დადგინდა პირველად კოდონის მნიშვნელობა: UUU კოდონი კოდირებს ფენილალანინს. კოდონებსა და ამინომჟავებს შორის შესაბამისობის შემდგომი წესები შეიქმნა სევერო ოჩოას ლაბორატორიაში. ნაჩვენებია, რომ პოლიადენინის რნმ (AAA...) ითარგმნება პოლილიზინის პეპტიდში, ხოლო პეპტიდი, რომელიც შედგება მხოლოდ პროლინის ნარჩენებისგან, სინთეზირებულია პოლიციტოზინის რნმ (CCC...) მატრიცაზე. დარჩენილი კოდონების მნიშვნელობა განისაზღვრა სხვადასხვა კოპოლიმერების გამოყენებით Hara Gobind Korana-ს ლაბორატორიაში ჩატარებული ექსპერიმენტების დროს. ცოტა ხნის შემდეგ, რობერტ ჰოლიმ დაადგინა tRNA მოლეკულის სტრუქტურა, რომელიც შუამავლობს ტრანსლაციას. 1968 წელს ნირენბერგს, კორანას და ჰოლის მიენიჭათ ნობელის პრემია ფიზიოლოგიასა და მედიცინაში.
იხ. ვიდეო - გენეტიკური კოდი. ტრანსკრიფცია
გენეტიკური კოდის წესების დადგენის შემდეგ, ბევრმა მეცნიერმა დაიწყო მისი ხელოვნურად გარდაქმნა[en]. ამრიგად, 2001 წლიდან გენეტიკურ კოდში შევიდა 40 ამინომჟავა, რომლებიც ბუნებაში არ არის ცილების ნაწილი. თითოეული ამინომჟავისთვის შეიქმნა საკუთარი კოდონი და შესაბამისი ამინოაცილ-tRNA სინთეზა. გენეტიკური კოდის ხელოვნურმა გაფართოებამ და ახალი ამინომჟავებით ცილების შექმნას შეუძლია დაეხმაროს ცილის მოლეკულების სტრუქტურის ღრმად შესწავლას, ასევე სპეციფიკური თვისებების მქონე ხელოვნური ცილების მიღებას. ჰ. მურაკამმა და მ. შიშიდომ შეძლეს ზოგიერთი კოდონის გარდაქმნა სამნუკლეოტიდიდან ოთხ და ხუთნუკლეოტიდად. სტივენ ბრენერმა მიიღო კოდონი 65, რომელიც ფუნქციონირებდა in vivo.
2015 წელს ბაქტერიამ Escherichia coli-მ მოახერხა ყველა UGG კოდონის მნიშვნელობის შეცვლა ტრიპტოფანიდან თიენოპიროლ-ალანინზე, რაც ბუნებაში არ გვხვდება. 2016 წელს მიიღეს პირველი ნახევრად სინთეზური ორგანიზმი - ბაქტერია, რომლის გენომი შეიცავდა ორ ხელოვნურ აზოტოვან ფუძეს (X და Y), რომლებიც შენარჩუნებულია გაყოფის დროს. 2017 წელს სამხრეთ კორეელმა მკვლევარებმა გამოაცხადეს თაგვის შექმნა გაფართოებული გენეტიკური კოდით, რომელსაც შეუძლია ცილების სინთეზირება ამინომჟავებით ბუნებაში
განასხვავებენ გენეტიკური კოდის შემდეგ თვისებებს, რომლებსაც ასევე უწოდებენ თარგმანის პრინციპებს:
ტრიპლეტი - ერთი ამინომჟავა შეესაბამება სამი რნმ ნუკლეოტიდის სამეულს;
არა გადახურვა - ერთი ნუკლეოტიდი არის ერთი სამეულის ნაწილი;
უნიკალურობა - ერთი ტრიპლეტი შეესაბამება ერთ ამინომჟავას (სტოპ კოდონების გარდა);
დეგენერაცია - ბევრი ამინომჟავა შეესაბამება რამდენიმე სამეულს (გარდა მეთიონინისა და ტრიპტოფანისა);
კომპაქტურობა - გენში პუნქტუაციის ნიშნების არარსებობა;
გაჩერების კოდონების არსებობა;
უნივერსალურობა - გენეტიკური კოდი ყველა ცოცხალი ორგანიზმისთვის ერთნაირია;
ჩარევის წინააღმდეგობა - ერთ-ნუკლეოტიდის ჩანაცვლების უმეტესობა სამეულში არ იწვევს ამინომჟავების თვისებების ცვლილებას
კითხვის ჩარჩო
გენები დაშიფრულია 5'→3' ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის მიმართულებით. კითხვის ჩარჩო განისაზღვრება პირველი სამეულით, საიდანაც იწყება თარგმანი. გადახურვის გარეშე კოდონების თანმიმდევრობას, რომელიც იწყება საწყისი კოდონით და მთავრდება გაჩერების კოდონით, ეწოდება ღია წაკითხვის ჩარჩო. მაგალითად, მიმდევრობა 5'-AAATGAACG-3' (იხ. სურათი), როდესაც იკითხება პირველი ნუკლეოტიდიდან, იყოფა კოდონებად AAA, TGA და ACG. თუ კითხვა იწყება მეორე ნუკლეოტიდიდან, მაშინ კოდონები AAT და GAA შეესაბამება მას. და ბოლოს, მესამე ნუკლეოტიდიდან წაკითხვისას გამოიყენება ATG და AAC კოდონები. ამრიგად, ნებისმიერი თანმიმდევრობის წაკითხვა შესაძლებელია 5' → 3' მიმართულებით სამი განსხვავებული გზით (სამი განსხვავებული წაკითხვის ჩარჩოთი) და თითოეულ შემთხვევაში ცილის პროდუქტის თანმიმდევრობა განსხვავებული იქნება რიბოსომის მიერ სხვადასხვა კოდონების ამოცნობის გამო. . თუ გავითვალისწინებთ, რომ დნმ-ს აქვს ორჯაჭვიანი სტრუქტურა, მაშინ შესაძლებელია 6 წაკითხვის ჩარჩო: სამი ერთ ჯაჭვზე და სამი მეორეზე. თუმცა, დნმ-დან გენების კითხვა შემთხვევითი არ არის. ყველა სხვა კითხვის ჩარჩო ერთ გენში, როგორც წესი, შეიცავს რამდენიმე გაჩერების კოდონს, რათა სწრაფად შეაჩეროს და შეამციროს არასწორი სინთეზის მეტაბოლური ღირებულება.
კოდონების დაწყება და გაჩერება
mRNA თანმიმდევრობიდან ინფორმაციის ტრანსლაცია ამინომჟავების თანმიმდევრობაში იწყება ეგრეთ წოდებული საწყისი კოდონით - ჩვეულებრივ AUG და ევკარიოტებში იკითხება როგორც მეთიონინი, ხოლო ბაქტერიებში როგორც ფორმილმეთიონინი. ერთი დაწყების კოდონი არ არის საკმარისი თარგმანის დასაწყებად; ის მოითხოვს თარგმანის დაწყების ფაქტორებს, ასევე სპეციალურ ელემენტებს მეზობელ თანმიმდევრობებში, მაგალითად, შაინ-დალგარნოს თანმიმდევრობა ბაქტერიებში. ზოგიერთ ორგანიზმში კოდონები GUG, რომელიც ჩვეულებრივ კოდირებს ვალინს, და UUG, რომელიც სტანდარტულ კოდში შეესაბამება ლეიცინს, გამოიყენება როგორც საწყისი კოდონები.
დაწყების კოდონის შემდეგ, ტრანსლაცია გრძელდება კოდონების თანმიმდევრული წაკითხვით და რიბოსომის მიერ ამინომჟავების ერთმანეთთან დამატების გზით, სანამ არ მიიღწევა ტრანსლაციის შეჩერების სიგნალი - გაჩერების კოდონი. არსებობს სამი გაჩერების კოდონი, რომელთაგან თითოეულს აქვს საკუთარი სახელი: UAG (ქარვა), UGA (ოპალი) და UAA (ოხერი). გაჩერების კოდონებს ასევე უწოდებენ გაჩერების კოდონებს. უჯრედებში არ არსებობს სტოპ კოდონების შესაბამისი tRNA-ები, ამიტომ, როდესაც რიბოსომა მიაღწევს გაჩერების კოდონს, tRNA-ის ნაცვლად, მასთან ურთიერთქმედებენ ტრანსლაციის შეწყვეტის ფაქტორები, რომლებიც ჰიდროლიზებენ ბოლო tRNA-ს ამინომჟავის ჯაჭვიდან და შემდეგ აიძულებენ რიბოსომას დაშორდეს. ბაქტერიებში, სამი ცილოვანი ფაქტორი მონაწილეობს თარგმანის შეწყვეტაში: RF-1, RF-2 და RF-3: RF-1 ცნობს UAG და UAA კოდონებს და RF-2 ცნობს UAA და UGA. ფაქტორი RF-3 ასრულებს დამხმარე სამუშაოებს. RF-1-ისა და RF-2-ის სამგანზომილებიანი სტრუქტურა ფორმაში და მუხტის განაწილებაში ჰგავს tRNA-ს და, ამრიგად, წარმოადგენს მოლეკულური მიმიკის მაგალითს[en]. ევკარიოტებში ტრანსლაციის შეწყვეტის ფაქტორი eRF1 ცნობს სამივე გაჩერების კოდონს. რიბოსომაზე დამოკიდებული GTPase eRF3, რომელიც ითვლება ევკარიოტებში ტრანსლაციის შეწყვეტის მეორე ფაქტორად, ეხმარება eRF1-ს მზა პოლიპეპტიდის განთავისუფლებაში რიბოსომიდან .
სტოპ კოდონების განაწილება ორგანიზმის გენომში არ არის შემთხვევითი და შეიძლება ასოცირებული იყოს გენომის GC შემადგენლობასთან. მაგალითად, E. coli K-12 შტამს აქვს 2705 TAA (63%), 1257 TGA (29%) და 326 TAG (8%) კოდონი თავის გენომში GC შემადგენლობით 50.8%. სხვადასხვა ბაქტერიული სახეობის გენომის ფართომასშტაბიანმა კვლევამ აჩვენა, რომ TAA კოდონის პროპორცია დადებითად არის დაკავშირებული GC შემადგენლობასთან, ხოლო TGA-ის პროპორცია უარყოფითად არის დაკავშირებული. ყველაზე იშვიათად გამოყენებული გაჩერების კოდონის, TAG-ის სიხშირე არ არის დაკავშირებული GC შემადგენლობასთან. სტოპ კოდონების სიძლიერე ასევე განსხვავდება. თარგმანის სპონტანური შეწყვეტა ყველაზე ხშირად ხდება UGA კოდონზე და ყველაზე ნაკლებად UAA-ში.
თვით გაჩერების კოდონის გარდა, მის გარემოს უდიდესი მნიშვნელობა აქვს თარგმანის შეწყვეტისთვის. უდიდეს როლს ასრულებს ნუკლეოტიდი, რომელიც მდებარეობს გაჩერების კოდონის (+4) შემდეგ. სავარაუდოა, რომ ნუკლეოტიდი +4 და მის შემდგომ სხვა ნუკლეოტიდები გავლენას ახდენენ თარგმანის შეწყვეტაზე, თარგმანის შეწყვეტის ფაქტორებისთვის დამაკავშირებელი ადგილების მიწოდებით. ამ მიზეზით, ზოგიერთი მკვლევარი ვარაუდობს, რომ განიხილოს ოთხი ნუკლეოტიდის გაჩერების სიგნალი სამ ნუკლეოტიდის გაჩერების კოდონის ნაცვლად. ნუკლეოტიდები, რომლებიც მდებარეობენ გაჩერების კოდონების ზემოთ, ასევე გავლენას ახდენენ ტრანსლაციაზე. მაგალითად, საფუარში ნაჩვენებია, რომ ადენინი, რომელიც მდებარეობს სტოპ კოდონის პირველი ნუკლეოტიდის ზემოთ 2 პოზიციაზე, ასტიმულირებს ტრანსლაციის შეწყვეტას UAG გაჩერების კოდონში (შესაძლოა სხვა კოდონებში).
ზოგჯერ გაჩერების კოდონები მოქმედებენ როგორც გრძნობა კოდონები. მაგალითად, UGA კოდონი აკოდირებს არასტანდარტულ ამინომჟავას სელენოცისტეინს, თუ ეგრეთ წოდებული SECIS ელემენტი მდებარეობს მის გვერდით ტრანსკრიპტში. UAG გაჩერების კოდონს შეუძლია სხვა არასტანდარტული ამინომჟავის, პიროლიზინის კოდირება. ზოგჯერ სტოპ კოდონი აღიარებულია როგორც გრძნობა კოდონი მუტაციებში, რომლებიც გავლენას ახდენენ tRNA. ეს ფენომენი ყველაზე ხშირად შეინიშნება ვირუსებში, მაგრამ ასევე აღწერილია ბაქტერიებში, საფუარში, დროზოფილაში და ადამიანებში, რომლებშიც ის მარეგულირებელ როლს ასრულებს.
გენეტიკური კოდი და მუტაციები
რეპის დროსდნმ-ის ლიკაციები ზოგჯერ იწვევს შეცდომებს ქალიშვილური ჯაჭვის სინთეზში. ამ შეცდომებს, რომელსაც მუტაციებს უწოდებენ, შეიძლება გავლენა იქონიოს ორგანიზმის ფენოტიპზე, განსაკუთრებით თუ ისინი გავლენას ახდენენ გენის კოდირების რეგიონზე. შეცდომები ხდება 1 სიხშირით ყოველ 10-100 მილიონი ბაზის წყვილში (bp), ვინაიდან დნმ პოლიმერაზებს შეუძლიათ ეფექტურად გამოასწორონ თავიანთი შეცდომები.
წერტილოვანი მუტაციები არის ერთი აზოტოვანი ფუძის ერთჯერადი ჩანაცვლება. თუ ახალი ბაზა მიეკუთვნება იმავე კლასს, როგორც თავდაპირველი (ორივე პურინი ან ორივე პირიმიდინი), მაშინ მუტაცია კლასიფიცირდება როგორც გარდამავალი. თუ პურინი იცვლება პირიმიდინით ან პირიმიდინით პურინით, მაშინ ისინი საუბრობენ ტრანსვერსიებზე. გადასვლები უფრო ხშირია ვიდრე ტრანსვერსიები. წერტილოვანი მუტაციების მაგალითებია უაზრო და უაზრო მუტაციები. მათ შეუძლიათ გამოიწვიონ ისეთი დაავადებები, როგორიცაა ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემია და თალასემია, შესაბამისად. კლინიკურად მნიშვნელოვანი გაუაზრებელი მუტაციები იწვევს ამინომჟავის ნარჩენების ჩანაცვლებას სხვა ფიზიკოქიმიური თვისებებით ნარჩენებით, ხოლო უაზრო მუტაციები იწვევს ნაადრევი გაჩერების კოდონის გამოჩენას .
მუტაციებს, რომლებშიც სწორი წაკითხვის ჩარჩო დარღვეულია ჩასმებისა და წაშლის გამო (კოლექტიურად უწოდებენ ინდელებს), რომლებიც შეიცავს სამ ნუკლეოტიდზე მეტჯერ, ეწოდება ჩარჩოში გადასვლის მუტაციები. ამ მუტაციებით, ცილოვანი პროდუქტი სრულიად განსხვავდება ველური ტიპისგან. როგორც წესი, ჩარჩოების გადანაცვლება იწვევს ნაადრევ სტოპ კოდონებს, რომლებიც იწვევენ შეკვეცილი ცილების წარმოქმნას. ვინაიდან ეს მუტაციები მნიშვნელოვნად არღვევს ცილის ფუნქციას, ისინი საკმაოდ იშვიათად ფიქსირდება შერჩევით: ხშირად ცილის არარსებობა იწვევს ორგანიზმის სიკვდილს დაბადებამდეც კი. Frameshift მუტაციები ასოცირდება დაავადებებთან, როგორიცაა Tay-Sachs დაავადება.
მიუხედავად იმისა, რომ მუტაციების აბსოლუტური უმრავლესობა მავნე ან ნეიტრალურია, ზოგიერთი მათგანი სასარგებლოა. მათ შეუძლიათ ორგანიზმი ველურ ტიპზე უკეთ შეესაბამებოდეს გარკვეულ გარემო პირობებს ან მისცენ მას უფრო სწრაფად გამრავლება, ვიდრე ველური ტიპი. ამ შემთხვევაში მუტაცია თანდათან გავრცელდება პოპულაციაში ნეიტრალური შერჩევის გზით. ვირუსები, რომელთა გენომები წარმოდგენილია რნმ-ით ძალიან სწრაფად მუტაციას განიცდის, რაც ხშირად მათ სარგებელს მოაქვს, რადგან იმუნური სისტემა, რომელიც ეფექტურად ცნობს ვირუსული ანტიგენების ზოგიერთ ვარიანტს, უძლურია ოდნავ მოდიფიცირებულის წინააღმდეგ. ორგანიზმების დიდ პოპულაციაში, რომლებიც მრავლდებიან უსქესო გზით, როგორიცაა E. coli, რამდენიმე სასარგებლო მუტაცია შეიძლება მოხდეს ერთდროულად. ამ ფენომენს კლონური ჩარევა[en] ეწოდება და იწვევს მუტაციებს შორის კონკურენციას.
სხვადასხვა კოდონების უნარს დააკოდიროს ერთი და იგივე ამინომჟავა, ეწოდება კოდის დეგენერაცია. პირველად გენეტიკურ კოდს ნირენბერგმა და ბერნფილდმა დეგენერატი უწოდეს. თუმცა, მიუხედავად მისი დეგენერაციისა, გენეტიკურ კოდში აბსოლუტურად გაურკვევლობა არ არის. მაგალითად, კოდონები GAA და GAG ორივე კოდირებენ გლუტამატს, მაგრამ არცერთი მათგანი არ ასახავს სხვა ამინომჟავას ერთდროულად. ერთი ამინომჟავის შესაბამისი კოდონები შეიძლება განსხვავდებოდეს ნებისმიერ პოზიციაზე, მაგრამ ყველაზე ხშირად ასეთი კოდონების პირველი ორი პოზიცია ერთნაირია და მხოლოდ ბოლო განსხვავდება. ამის წყალობით, მუტაცია, რომელიც გავლენას ახდენს კოდონის მესამე პოზიციაზე, დიდი ალბათობით არ იმოქმედებს ცილოვან პროდუქტზე.
ეს მახასიათებელი შეიძლება აიხსნას ფრენსის კრიკის მიერ შემოთავაზებული ორაზროვანი ბაზის წყვილის ჰიპოთეზით. ამ ჰიპოთეზის მიხედვით, დნმ-ის კოდონში მესამე ნუკლეოტიდი შეიძლება არ იყოს სრულყოფილად ავსებს tRNA ანტიკოდონს, რათა კომპენსირება გაუწიოს შეუსაბამობას tRNA ტიპების რაოდენობასა და კოდონების რაოდენობას შორის.
მსგავსი ფიზიკური და ქიმიური თვისებების მქონე ამინომჟავების კოდონები ასევე ხშირად მსგავსია, ამიტომ მუტაციები არ იწვევს ცილის სტრუქტურის მნიშვნელოვან დარღვევას. ამრიგად, NUN კოდონები (N - ნებისმიერი ნუკლეოტიდი) ჩვეულებრივ კოდირებს ჰიდროფობიურ ამინომჟავებს. NCN კოდირებს მცირე ამინომჟავებს ზომიერი ჰიდროფობიურობით, ხოლო NAN-ები საშუალო ზომის ჰიდროფილურ ამინომჟავებს. გენეტიკური კოდი შექმნილია ისე ოპტიმალურად ჰიდროფობიურობის თვალსაზრისით, რომ მათემატიკური ანალიზი 12 ცვლადის ერთჯერადი მნიშვნელობის დაშლის გამოყენებით (4 ნუკლეოტიდი 3 პოზიციაზე) იძლევა მნიშვნელოვან კორელაციას (0.95) ამინომჟავის ჰიდროფობიურობის პროგნოზირებისთვის მის კოდონზე დაყრდნობით. რვა ამინომჟავაზე საერთოდ არ მოქმედებს მუტაციები მესამე პოზიციაზე, ხოლო მეორე პოზიციაზე მუტაციები, როგორც წესი, იწვევს სრულიად განსხვავებული ფიზიკოქიმიური თვისებების მქონე ამინომჟავით ჩანაცვლებას. თუმცა, პირველ პოზიციებზე არსებული მუტაციები ყველაზე დიდ გავლენას ახდენს ცილოვან პროდუქტზე. ამრიგად, მუტაციები, რომლებიც იწვევს დამუხტული ამინომჟავის ჩანაცვლებას საპირისპირო მუხტის მქონე ამინომჟავით, შეიძლება გავლენა იქონიოს მხოლოდ პირველ პოზიციაზე და არასდროს მეორეზე. ეს მუხტის გაცვლა, სავარაუდოდ, ძლიერ გავლენას მოახდენს ცილის სტრუქტურაზე.
სტანდარტული გენეტიკური კოდი
ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს გენეტიკურ კოდს, რომელიც საერთოა პრო- და ევკარიოტების უმეტესობისთვის. ცხრილში მოცემულია 64-ვე კოდონი და შესაბამისი ამინომჟავები. ფუძეების რიგი არის mRNA-ის 5'-დან 3' ბოლომდე. მოცემულია ამინომჟავების სამასო და ერთასოიანი აღნიშვნები.
არაპოლარული პოლარული ძირითადი მჟავე (სტოპ კოდონი)
სტანდარტული გენეტიკური კოდი
1-ლი
ბაზა მე-2 ბაზა მე-3
ბაზა
U C A G
U UUU (Phe/F) ფენილალანინის UCU (Ser/S) სერინი UAU (Tyr/Y) ტიროზინი UGU (Cys/C) ცისტეინი U
UUC UCC UAC UGC C
UUA (Leu/L) Leucine UCA UAA Stop (ოხერი)[B] UGA სტოპი (ოპალი)[B] A
UUG[A] UCG UAG Stop (ქარვისფერი)[B] UGG (Trp/W) ტრიპტოფანი G
C CUU CCU (Pro/P) პროლინი CAU (მისი/H) ჰისტიდინი CGU (Arg/R) არგინინი U
CUC CCC CAC CGC C
CUA CCA CAA (Gln/Q) გლუტამინი CGA A
CUG[A] CCG CAG CGG G
A AUU (Ile/I) იზოლეიცინი ACU (Thr/T) ტრეონინი AAU (Asn/N) ასპარაგინი AGU (Ser/S) სერინი U
AUC ACC AAC AGC C
AUA ACA AAA (Lys/K) ლიზინი AGA (Arg/R) არგინინი A
AUG[A] (Met/M) მეთიონინი ACG AAG AGG G
G GUU (Val/V) ვალინი GCU (Ala/A) ალანინი GAU (Asp/D) ასპარტინის მჟავა GGU (Gly/G) გლიცინი U
GUC GCC GAC GGC C
GUA GCA GAA (Glu/E) გლუტამინის მჟავა GGA A
GUG GCG GAG GGG G
A AUG კოდონი აკოდირებს მეთიონინს და ასევე არის ტრანსლაციის დაწყების ადგილი: პირველი AUG კოდონი mRNA-ს კოდირებულ რეგიონში ემსახურება ცილების სინთეზის დასაწყისს. სხვა საწყისი კოდონები (CUG, UUG და სხვ.) იშვიათად გამოიყენება ევკარიოტების ბირთვულ გენომებში, მაგრამ საკმაოდ ხშირად პროკარიოტებში, მიტოქონდრიებში და პლასტიდებში.
B ^ ^ ^ სამი ტიპის გაჩერების კოდონების, როგორც ქარვის (UAG), ოხრის (UAA) და ოპალის/უმბერის (UGA) აღნიშვნის ისტორიული ფონი აღწერილია სტატიაში Stop Codon.
საპირისპირო ცხრილი (გამოსახულია თითოეული ამინომჟავის კოდონები, ასევე გაჩერების კოდონები)
Ala/A GCU, GCC, GCA, GCG Leu/L UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Arg/R CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG Lys/K AAA, AAG
Asn/N AAU, AAC Met/M AUG
Asp/D GAU, GAC Phe/F UUU, UUC
Cys/C UGU, UGC Pro/P CCU, CCC, CCA, CCG
Gln/Q CAA, CAG Ser/S UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Glu/E GAA, GAG Thr/T ACU, ACC, ACA, ACG
Gly/G GGU, GGC, GGA, GGG Trp/W UGG
მისი/H CAU, CAC Tyr/Y UAU, UAC
Ile/I AUU, AUC, AUA Val/V GUU, GUC, GUA, GUG
START AUG STOP UAG, UGA, UAA
ალტერნატიული გენეტიკური კოდები
არასტანდარტული ამინომჟავები
ზოგიერთ ცილაში, არასტანდარტული ამინომჟავები კოდირებულია გაჩერების კოდონებით, რაც დამოკიდებულია mRNA-ში კონკრეტული სიგნალის თანმიმდევრობის არსებობაზე. მაგალითად, სტოპ კოდონს UGA შეუძლია სელენოცისტეინის კოდირებას, ხოლო UAG-ს შეუძლია პიროლიზინის კოდირება. სელენოცისტეინი და პიროლიზინი განიხილება, შესაბამისად, 21-ე და 22-ე პროტეინოგენურ ამინომჟავებად. სელენოცისტეინისგან განსხვავებით, პიროლიზინს აქვს საკუთარი ამინოაცილ-tRNA სინთეზა. მიუხედავად იმისა, რომ ერთი ორგანიზმის უჯრედების მიერ გამოყენებული გენეტიკური კოდი ჩვეულებრივ ფიქსირდება, archaeon Acetohalobium arabaticum შეიძლება გადავიდეს 20 ამინომჟავის კოდიდან 21 ამინომჟავის კოდზე (პიროლიზინის ჩათვლით) ზრდის სხვადასხვა პირობებში.
ვარიაციები
Globobulimina pseudospinescens-ის მიტოქონდრიული გენეტიკური კოდის დიაგრამა. ნაჩვენებია 64 კოდონი (მარცხნიდან მარჯვნივ), სტანდარტული გენეტიკური კოდიდან პროგნოზირებული გადახრები ნაჩვენებია წითლად. წითელი ხაზი აჩვენებს გაჩერების კოდონებს. ამინომჟავის შესაბამისი ასოს სიმაღლე პროპორციულია ამ ამინომჟავის სიხშირისა, რომელიც ემთხვევა მოცემულ კოდონს.
სტანდარტული გენეტიკური კოდიდან გადახრების არსებობა იწინასწარმეტყველეს ჯერ კიდევ 1970-იან წლებში. პირველი გადახრა აღწერილი იქნა 1979 წელს ადამიანის მიტოქონდრიაში. შემდგომში აღწერილი იქნა კიდევ რამდენიმე ალტერნატიული გენეტიკური კოდი, ოდნავ განსხვავებული სტანდარტულისგან, მათ შორის ალტერნატიული მიტოქონდრიული კოდები.
მაგალითად, Mycoplasma გვარის ბაქტერიებში UGA სტოპ კოდონი აკოდირებს ტრიპტოფანს, ხოლო საფუარში ეგრეთ წოდებული "CTG clade" (მათ შორის პათოგენური სახეობა Candida albicans), CUG კოდონი აკოდირებს სერინს და არა ლეიცინს, როგორც ეს სტანდარტული გენეტიკური კოდი. იმის გამო, რომ ვირუსები იყენებენ იმავე გენეტიკურ კოდს, როგორც მათი მასპინძელი უჯრედები, სტანდარტული გენეტიკური კოდიდან გადახრებმა შეიძლება ხელი შეუშალოს ვირუსის რეპლიკაციას[59]. თუმცა, ზოგიერთი ვირუსი, მაგალითად, Totivirus[en] გვარის ვირუსები, იყენებენ იმავე ალტერნატიულ გენეტიკურ კოდს, როგორც მასპინძელი ორგანიზმი.
ბაქტერიებსა და არქეებში GUG და UUG ხშირად მოქმედებენ როგორც საწყისი კოდონები. ასევე არსებობს გარკვეული გადახრები ადამიანის ბირთვულ გენომში სტანდარტული გენეტიკური კოდიდან: მაგალითად, ფერმენტ მალატდეჰიდროგენაზას mRNA-ის 4%-ში, ერთ-ერთი სტოპ კოდონი კოდირებს ტრიპტოფანს ან არგინინს. გაჩერების კოდონის მნიშვნელობა დამოკიდებულია მის გარემოზე. ორგანიზმის გენეტიკურ კოდში გადახრები შეიძლება გამოვლინდეს მის გენომში ძალიან შენახული გენების აღმოჩენით და მათი კოდონების შედარებით მჭიდროდ დაკავშირებული ორგანიზმების ჰომოლოგიური ცილების შესაბამის ამინომჟავებთან. ამ პრინციპზე მუშაობს FACIL პროგრამა, რომელიც ითვლის სიხშირეს, რომლითაც თითოეული კოდონი შეესაბამება კონკრეტულ ამინომჟავას, ასევე განსაზღვრავს გაჩერების კოდონის მხარდაჭერას და შედეგებს წარმოადგენს ლოგოს სახით (LOGO). თუმცა, მიუხედავად ყველა ამ განსხვავებისა, გენეტიკური კოდები, რომლებსაც ყველა ორგანიზმი იყენებს, ძირითადად მსგავსია.
ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი ჩამოთვლილიაიდენტიფიცირებულია ამჟამად ცნობილი არასტანდარტული გენეტიკური კოდები. არსებობს 23 არასტანდარტული გენეტიკური კოდი, რომელთაგან ყველაზე გავრცელებული განსხვავება სტანდარტული გენეტიკური კოდისგან არის UGA გაჩერების კოდონის ტრანსფორმაცია ტრიპტოფანის კოდირებულ სენსორულ კოდონად.
არასტანდარტული გენეტიკური კოდების სია
კოდონის უპირატესობა
მთავარი სტატია: კოდონის უპირატესობა
მრავალი ორგანიზმის გენომში შეინიშნება ეგრეთ წოდებული კოდონის უპირატესობა, ანუ ყველა სინონიმური კოდონის გაჩენის სიხშირე, რომელიც შეესაბამება გარკვეულ ამინომჟავას, არ არის თანაბარი და ზოგიერთი კოდონისთვის ის უფრო მაღალია, ვიდრე სხვებისთვის. კოდონის უპირატესობის გაჩენის ევოლუციური საფუძველი გაურკვეველია. ერთი ჰიპოთეზის თანახმად, ის კოდონები, რომლებიც მუტაციას ყველაზე ხშირად განიცდიან, ნაკლებად გავრცელებულია. სხვა ჰიპოთეზა ამბობს, რომ კოდონების უპირატესობა რეგულირდება ბუნებრივი გადარჩევით იმათ სასარგებლოდ, რომლებიც უზრუნველყოფენ გენის ექსპრესიის უდიდეს ეფექტურობასა და ერთგულებას. კოდონების უპირატესობა დიდწილად დაკავშირებულია გენომის GC შემადგენლობასთან და ზოგიერთ შემთხვევაში GC შემადგენლობას შეუძლია კოდონის გამოყენების სიხშირის პროგნოზირებაც კი. ფუნქციური თვალსაზრისით, კოდონის უპირატესობა დაკავშირებულია თარგმანის ეფექტურობასა და სიზუსტესთან და, შესაბამისად, გენის ექსპრესიის დონესთან.
რიბოციმის სტრუქტურა - რნმ-ის მოლეკულა, რომელიც ასრულებს კატალიზის ფუნქციას
მთავარი სტატია: რნმ სამყაროს ჰიპოთეზა
ამჟამად ყველაზე ზოგადად მიღებული ჰიპოთეზა დედამიწაზე სიცოცხლის წარმოშობის შესახებ არის რნმ-ის მსოფლიო ჰიპოთეზა. გენეტიკური კოდის წარმოშობის ნებისმიერი მოდელი იყენებს რნმ-ის ფერმენტებიდან (რიბოზიმები) ცილოვან ფერმენტებზე ძირითადი ფუნქციების გადაცემის ჰიპოთეზას. როგორც რნმ-ის მსოფლიო ჰიპოთეზა გვთავაზობს, tRNA-ები გაჩნდა ამინოაცილ-tRNA სინთეზაზე ადრე, ამიტომ ამ ფერმენტებს არ შეეძლოთ გავლენა მოახდინონ tRNA-ს თვისებებზე.
ბოლო უნივერსალური საერთო წინაპრის (LUCA) გენეტიკური კოდი, სავარაუდოდ, დაფუძნებული იყო დნმ-ზე და არა რნმ-ზე. გენეტიკური კოდი შედგებოდა სამი ნუკლეოტიდური კოდონისგან და სულ არსებობდა 64 განსხვავებული კოდონი. ვინაიდან მხოლოდ 20 ამინომჟავა გამოიყენებოდა ცილების შესაქმნელად, ზოგიერთი ამინომჟავა დაშიფრული იყო მრავალი კოდონით.
თუ კოდონებსა და ამინომჟავებს შორის შესაბამისობა შემთხვევითი იქნებოდა, ბუნებაში იქნებოდა 1,5 × 1084 გენეტიკური კოდი. ეს რიცხვი მიღებულ იქნა იმ გზების რაოდენობის გამოთვლით, რომლითაც 21 ელემენტი (20 ამინომჟავის კოდონი და ერთი გაჩერების კოდონი) შეიძლება განლაგდეს 64 ურნაში, ისე, რომ თითოეული ელემენტი გამოიყენებოდა ერთხელ მაინც. თუმცა, კოდონებსა და ამინომჟავებს შორის შესაბამისობა შემთხვევითი არ არის. ამინომჟავებს, რომლებსაც აქვთ საერთო ბიოსინთეზური გზა, ჩვეულებრივ იზიარებენ საერთო პირველი კოდონის პოზიციას. ეს ფაქტი შეიძლება იყოს უფრო ადრინდელი, უფრო მარტივი გენეტიკური კოდის რელიქვია, რომელიც შეიცავდა ნაკლებ ამინომჟავებს, ვიდრე თანამედროვე და თანდათან აერთიანებდა 20-ვე ამინომჟავას. მსგავსი ფიზიკოქიმიური თვისებების მქონე ამინომჟავების კოდონები ასევე მსგავსია, რაც ამცირებს წერტილოვანი მუტაციების და ტრანსლაციის დარღვევების ეფექტებს.
ვინაიდან გენეტიკური კოდი შემთხვევითი არ არის, მისი წარმოშობის სარწმუნო ჰიპოთეზა უნდა ახსნას სტანდარტული გენეტიკური კოდის ისეთი თვისებები, როგორიცაა D-ამინომჟავების კოდონების არარსებობა, 64-დან მხოლოდ 20 ამინომჟავის ჩართვა, შეზღუდვა. კოდონების მესამე პოზიციის სინონიმური ჩანაცვლება და კოდონების ფუნქციონირება, როგორც გაჩერების კოდონები UAG, UGA და UAA. არსებობს სამი ძირითადი ჰიპოთეზა გენეტიკური კოდის წარმოშობის შესახებ. თითოეული მათგანი წარმოდგენილია მრავალი მოდელით, რომელთაგან ბევრი ჰიბრიდულია.
გაყინული უბედური შემთხვევა: გენეტიკური კოდი წარმოიშვა შემთხვევით და დაფიქსირდა ამ ფორმით. შესაძლებელია, რომ უძველეს რიბოციმებს, ისევე როგორც თანამედროვე tRNA-ებს, ჰქონოდათ განსხვავებული მიდრეკილება ამინომჟავების მიმართ, ხოლო კოდონებს ერთი და იმავე რიბოციმის სხვადასხვა ნაწილიდან შეიძლება ჰქონდეთ ყველაზე დიდი მიდრეკილება სხვადასხვა ამინომჟავების მიმართ. პირველი ფუნქციური პეპტიდების გამოჩენის შემდეგ, გენეტიკურ კოდში ნებისმიერი ცვლილება სასიკვდილო იქნებოდა, ამიტომ ის „გაყინული“ იყო.
სტერეოქიმიური აფინურობა: გენეტიკური კოდი განისაზღვრება თითოეული ამინომჟავის მაღალი აფინურობით მის შესაბამის კოდონებთან და ანტიკოდონებთან. ამინომჟავისა და ანტიკოდონის აფინურობა ნიშნავს, რომ წინაპრების tRNA-ები შეესაბამებოდა იმ ამინომჟავებს, რომლებთანაც ისინი უდიდეს აფინურობით უკავშირდებოდნენ. ევოლუციის დროს ანტიკოდონებსა და ამინომჟავებს შორის კორესპონდენცია შეიცვალა ამინოაცილ-tRNA სინთეზაზასა და ამინომჟავებს შორის შესაბამისობით.
ოპტიმალურობა: გენეტიკური კოდი აგრძელებდა ცვლილებას მისი გამოჩენის შემდეგ გარკვეული პერიოდის განმავლობაში, ამიტომ თანამედროვე კოდი უზრუნველყოფს მაქსიმალურ შესაბამისობას და ამცირებს მუტაციების შედეგებს, ანუ ეს არის საუკეთესო შესაძლო გენეტიკური კოდი.
Комментариев нет:
Отправить комментарий