Введение в Алгебраическую теорию информации - Гоппа В.Д.
Скачать (прямая ссылка):
котором выстраивается комлементарная ей новая цепь. В результате
образуются две дочерние хромосомы (реплики), каждая из которых содержит
по одной родительской хромосоме. Экспериментально показано, что именно
так, по полуконсервативному механизму, происходит репликация ДНК:
Удивительная простота такой модели скрывает сложнейшие
биохимические процессы, в которых участвует множество белков (ферментов).
Эти белки, как и все другие, закодированы в последовательности
нуклеотидов ДНК. В процессе эволюции сформировался сложный репликационный
аппарат, обеспечивающий максимальную точность передачи информации от
родительских к дочерним молекулам ДНК. По существующим оценкам ошибки
репликации, приводящие к появлению неправильного нуклеотида происходят с
частотой порядка одной на
о in
10 -10 нуклеотидов. В то же время синтез ДНК происходит с очень
высокой скоростью-около 1000 нуклеотидов в секунду. Вся ДНК бактерий
(порядка 107 нуклеотидов) воспроизводится за 20 минут.
Стабильность генетического материала объясняется существованием в клетках
всех живых организмов специальных систем репарации (обнаружения и
исправления ошибок). Каждый день появляются все новые данные,
свидетельствующие о большом разнообразии систем репарации ДНК.
Перейдем теперь к описанию процесса транскрипции. При этом молекула ДНК
превращается в молекулу РНК, в которой присутствуют также четыре
основания. Основное отличие РНК от ДНК заключается в том, что вместо
тимина Т появляется урацил U , так что при транскрипции происходит
взаимно однозначное преобразование слов:
ATGGTTCGTTC ...
\
AUGGUUCGUUC ...
Существует следующее объяснение такого преобразования.
Аденин А и гуанин G относятся к классу пуриновых оснований, а тимин и
цитозин-к классу пиримидиновых оснований. В любом живом организме часто и
спонтанно происходит апуринизация, т.е. уменьшение доли а,денина и
гуанина. Каждая клетка человеческого организма ежедневно теряет около
5000 пуринов. В то же время пиримидины Г и С более устойчивы. Кроме того,
постоянно происходит превращение одного кислотного основания в другое.
При дезаминировании цитозин С превращается в урацил U, аденин А в
гипоксантин, а гуанин-в ксантин. Чаще всего происходит превращение С ¦* U
(в каждой человеческой клетке за день происходит около 100 таких
событий). Если бы для хранения генетической информации вместо ДНК
использовалась бы РНК, т.е. набор букв {A, U, С, G), то ошибочные
переходы С -* U невозможно было бы обнаружить. Если же выбрать, алфавит
{А, Т, С, G}, то при дезаминировании всех оснований возникают основания,
не характерные для ДНК. Это обстоятельство позволяет репаративной системе
клетки узнавать продукт дезаминирования и удалять его. Можно сказать, что
РНК является более естественной. Именно эта кислота участвует в основном
процессе-в формировании белков. В то же время она неустойчива, поэтому
заменяется на ДНК во "внешней памяти".
93
Вначале считали, что преобразованием Т •* U ограничивается весь процесс
транскрипции (это справедливо для простейших организмов). Затем была
обнаружена мозаичная структура гена. У некоторых организмов каждый ген
разделен на чередующиеся участки: информационные слова (экзоны) и вставки
(интроны). В процессе транскрипции все интроны вырезаются, а оставшиеся
экзоны "сшиваются" (этот процесс называется сплайсингом):
Экзон Интрон
Ш
Число интронов может сильно варьироваться: от одного в гене дрожжей до
нескольких десятков (17 в гене птиц и 50 в гене млекопитающих). Интроны
могут составлять большую часть мозаичного гена. Например, в гене птиц
экзоны составляют лишь восьмую часть общей длины гена, а в гене
млекопитающих- лишь двадцатую.
Таким образом, ДНК содержит огромную избыточность: лишь небольшая часть
букв используется для формирования белков. По-видимому, такая
избыточность нужна для обнаружения и исправления ошибок, т.е. интроны
участвуют в системе репарации. Все это напоминает запись на магнитной
ленте, когда после информационного файла добавляется контрольная сумма.
В настоящее время известно, что в интронах могут находиться важные
элементы регуляции транскрипции-усилители, или энхансеры. Эти элементы
были выявлены в опытах с искусственными генными конструкциями,
составленными из отрезков ДНК разного происхождения. Энхансеры
представлены короткими отрезками ДНК (десятки букв). Извлеченные из
вирусных генов и включенные в состав искусственных генетических
конструкций, они увеличивали эффективность транскрипции в десятки и сотни
раз. Особенность энхансеров состоит в том, что они способны действовать
на больших расстояниях (более чем 1000 букв) и вне зависимости от
ориентации по отношению к направлению транскрипции гена. Наконец, в 1987
г. был обнаружен так называемый альтернативный сплайсинг: различные
отрезки ДНК могут несколькими способами сшиваться в РНК, образуя разные
модификации (изотипы) 94
одного и того же белка. Разные типы образуются в разных тканях на
