Ошибки в генетическом коде

Сегодня известно не менее трех десятков исключений из стандартного генетического кода

Автор

Редактор

После открытия правил генетического кода, по которым наследственная информация переписывается с языка нуклеотидов на язык аминокислот, они считались универсальными. Известно не менее 30 случаев, когда генетический код используется в несколько измененном виде. Изменения могут быть самыми разнообразными: изменится значение кодона, стоп-кодон начнет кодировать какую-то аминокислоту, обычный кодон начнет выполнять роль стартового. Мы предлагаем вам десять случаев наиболее любопытных отклонений от стандартного генетического кода.

«Биомолекула» не раз писала о генетическом коде. Статья «Такие разные синонимы» [3] посвящена явлению предпочтения кодонов. В статьях «У истоков генетического кода: родственные души» [4] и «Эволюция генетического кода» [5] рассказывается об эволюции генетического кода, а в публикациях «Расширенный геном» [6] и «Слово из четырёх букв» [7] можно почитать о перспективах его искусственного расширения.

Blastocrithidia

Рисунок 1. Клетки Blastocrithidia papi (окрашивание по Гимзе)

[19], рисунок с изменениями

У простейших рода Blastocrithidia, родственных трипаносомам (рис. 1), генетический код, используемый при трансляции ядерных генов, в прямом смысле «без тормозов»: все три стоп-кодона кодируют аминокислоты. Кодон UGA кодирует триптофан, а UAG и UAA — глутамат. При этом UAA и, реже, UAG все-таки могут выступать в роли терминаторных кодонов. Оказалось, что у одного из белков, необходимых для освобождения рибосомы от мРНК после трансляции, eRF1, чрезвычайно важный остаток серина заменен на другую аминокислоту, что понижает его сродство к UGA, благодаря чему этот стоп-кодон может функционировать как смысловой. Впрочем, окончательно неизвестно, благодаря чему UAG и UAA могут выступать и как смысловые, и как терминаторные кодоны [8].

Condylostoma magnum

У инфузории Condylostoma magnum каждый из стандартных стоп-кодонов способен выступать в роли смыслового: UAA и UAG могут кодировать глутамин, а UGA — триптофан. Однако механизм двойного кодирования у этого организма совершенно отличается от Blastocrithidia: значение каждого из стандартных стоп-кодонов зависит от их положения в мРНК. Стоп-кодоны, расположенные в средней части транскрипта, кодируют аминокислоты, а стоп-кодоны, находящиеся вблизи 3′-конца мРНК, работают «по специальности» и выполняют роль терминаторных. Вероятно, 3′-нетранслируемые области генов Condylostoma magnum очень короткие и консервативные и играют роль в распознавании стоп-кодонов [9].

Acetohalobium arabaticum

Бактерия Acetohalobium arabaticum (рис. 2) может переключаться со стандартного генетического кода на нестандартный в зависимости от внешних условий, а именно источника энергии. При выращивании на среде с пируватом эти бактерии пользуются обычным генетическим кодом, но в присутствии триметиламина стоп-кодон UAG начинает кодировать нестандартную аминокислоту пирролизин. Оказалось, что в отсутствие триметиламина у Acetohalobium arabaticum оперон, необходимый для синтеза пирролизина, подавлен. Остатки пирролизина у этой бактерии входят в состав таких белков, как две метиламинметилтрансферазы, необходимые для метаболизма триметиламина [10].

Рисунок 2. Acetohalobium arabaticum (сканирующая электронная микроскопия)

Rhabdopleura compacta

Rhabdopleura compacta — вторичноротое животное, входящее в состав типа полухордовые. В митохондриях этого животного стоп-кодон UGA кодирует триптофан, а кодоны AGA и AGG кодируют вместо аргинина серин и лизин соответственно. Любопытно, что AGG, кодирующий лизин, больше не встречается ни у кого из вторичноротых животных и обнаружен только у некоторых членистоногих. И у них, и у Rhabdopleura compacta в основе изменения значения кодона AGG лежит одна и та же мутация в антикодоновой петле тРНК, соответствующей лизину [11].

Scenedesmus obliquus

Генетический код митохондрий зеленой водоросли Scenedesmus obliquus (рис. 3) необычен тем, что кодон UCA, который обычно кодирует лейцин, функционирует как стоп-кодон. В митохондриальном геноме этой водоросли отсутствует ген, кодирующий тРНК, соответствующую кодону UCA. Вместо этого в митохондриях Scenedesmus obliquus лейцин кодирует стандартный стоп-кодон UAG [12].

Рисунок 3. Клетки Scenedesmus obliquus

Плоские черви класса Rhabditophora

Класс плоских червей Rhabditophora может служить отличным примером того, как изменения стандартного генетического кода оказываются присущи всем представителям большого таксона. У всех плоских червей, входящих в этот класс, кодон AAA кодирует аспарагин вместо лизина, а AUA — изолейцин вместо метионина [13].

Radopholus similis

У паразитической нематоды Radopholus similis (рис. 4) в митохондриальном геноме стоп-кодон UAA кодирует тирозин — уникальный случай для животного мира. Кроме того, 7 из 12 белок-кодирующих генов в митохондриальном геноме не имеют стоп-кодона. У многих других организмов в митохондриальном геноме тоже есть гены, не имеющие стоп-кодонов, однако у них стоп-кодон UAA появляется в соответствующих транскриптах после полиаденилирования. У Radopholus similis, похоже, транскрипты без стоп-кодона не полиаденилируются, и механизм терминации трансляции в этом случае пока неизвестен [14].

Рисунок 4. Самка Radopholus similis. а — Головной отдел, б — Общий вид (v — вульва).

Инфузории-туфельки

Митохондриальный генетический код инфузорий-туфелек (род Paramecium) отличается от стандартного прежде всего числом стартовых кодонов. В роли старт-кодонов могут выступать целых пять или шесть: AUG, AUA, AUU, AUC, GUG и, возможно, GUA. Поскольку митохондриальный геном этих организмов содержит гены всего трех тРНК, бóльшая часть тРНК поступает из цитоплазмы. В связи с этим в митохондриях инфузорий-туфелек, как и в ядре многих инфузорий, стоп-кодоны UAG и UAA кодируют глутамин [15].

Ashbya gossypii

У дрожжей Ashbya gossypii в митохондриях кодон CUU, обычно кодирующий лейцин, кодирует аланин. Удивительно, что два других лейциновых кодона, CUC и CUG, в митохондриальном геноме полностью отсутствуют, поэтому у этих организмов лейцин кодируется только двумя кодонами — UUG и UUA — вместо стандартных пяти [16].

Mycobacterium smegmatis

У бактерии Mycobacterium smegmatis аспарагиновые кодоны приобретают дополнительное значение в стационарной фазе роста, а также в условиях низкого pH. Еще более любопытно, что, благодаря двусмысленности аспарагиновых кодонов, в β-субъединице РНК-полимеразы происходят замены, которые сохраняют ее функциональность, однако делают фермент устойчивым к антибиотику рифампицину, в норме блокирующему его работу [17], [18].

Разумеется, вариации стандартного генетического кода не ограничиваются приведенными примерами. Однако исключения только подтверждают правило, и это верно и для генетического кода. Несмотря на колоссальное разнообразие живых организмов, исключения из генетического кода настолько редки, что представляются не более чем любопытными курьезами. Однако эти исключения служат ценным материалом для реконструкции эволюции генетического кода и помогают глубже понять его фундаментальные свойства.

Женщина-химера и ошибки врачей: почему экспертиза ДНК не всегда оказывается надежной

От имени отдела дознания УМВД России по Красногорскому району, а так же от себя лично позвольте выразить искреннюю признательность и благодарность.

Исследования ДНК и отпечатков пальцев значительно расширили возможности судебно-медицинской экспертизы. С помощью этих методов можно получить доказательства, которые, как правило, не подвергаются сомнению. Однако случается, что полученные данные, казавшиеся надежными и достоверными, на самом деле таковыми не являются. Причины могут быть самые разные — от физиологических особенностей до банальной врачебной ошибки. Мы расскажем о нескольких необычных случаях, связанных с использованием современных методов судебной экспертизы.

Один человек — один геном?

В 2002 году в США Лидия Ферчайлд судилась с бывшим мужем по вопросу о взыскании алиментов на двоих детей. Суд назначил родителям тесты ДНК, которые показали, что бывший муж Лидии действительно является отцом их детей, а вот сама женщина — вовсе не их мать. Более того, во время судебного разбирательства Лидия ждала третьего ребенка. После родов, на которых по требованию суда присутствовал судебный пристав, провели еще один тест ДНК, который не подтвердил родства между младенцем и матерью.

Женщина обратилась к адвокату Элану Тинделу. В одном из научно-популярных журналов юрист прочитал статью о женщине из Бостона, организм которой состоял из тканей с разными геномами. Карен Кигэн — героиню статьи — прозвали женщиной-химерой. Такая странная особенность обнаружилась случайно, когда Карен потребовалась пересадка почки, но результаты анализов ее детей, которые готовились стать донорами органа для матери, показали, что они не состоят с ней в родстве. При этом образец, взятый с щитовидной железы пациентки, показал прямо противоположный результат. По словам врачей, причина такой аномалии — в том, что Карен родилась в результате оплодотворения двух яйцеклеток двумя сперматозоидами: обычно в результате этого на свет появляются близнецы, но в исключительных случаях две яйцеклетки образуют один организм, который состоит из клеток с разным геномом.

Лидия Ферчайлд, как оказалось, тоже являлась носителем такой «мутации». Это выяснилось по результатам расширенного ДНК-исследования, а также анализа различных образцов тканей. Так, волосы женщины имели генетический код, отличный от генома ее репродуктивной системы (который и унаследовали ее дети). По словам ученых, в мире насчитывается около 30 людей-химер.

Опечатков не нашли

Врач-дерматолог Питер Итин в начале нашего века стал исследовать феномен отсутствия отпечатков пальцев у некоторых людей, после того как швейцарка не смогла получить визу в США по этой необычной причине. Анализ показал, что пальцы без отпечатков (причем как на руках, так и на ногах) есть еще у восьми членов семьи женщины.

Семь членов этой семьи, как выяснилось в результате исследования, обладали отпечатками. А девять остальных являлись носителями редкой мутации: в результате нестабильного копирования одного из генов (Smarcad1) рисунок на коже у плода не формируется. Эта особенность получила название «адерматоглифия». Со временем ученые обнаружили еще несколько семей, члены которых являлись носителями данной мутации. В настоящее время исследования продолжаются. На данный момент обнаружено по меньшей мере пять семей, которые обладают такой особенностью.

Ошибочный анализ

В конце 1990-х годов в США подросток стал жертвой экспертной ошибки. Его посадили в тюрьму за изнасилование, которого он не совершал: ДНК-анализ показал, что его образец совместим с материалом, который был получен у жертвы. Парня приговорили к 25 годам тюрьмы, несмотря на наличие алиби.

Однако родители подростка смогли добиться его освобождения. Им помог эксперт-криминалист, обнаруживший ошибку в заключении по результатам генетического исследования: анализ биоматериалов позволил эксперту, проводившему исследование, сформировать три заметно отличавшиеся друг от друга ДНК-профиля для одного человека, однако на самом деле ДНК осужденного подростка не имела совпадений с образцами, взятыми у жертвы. В итоге после четырех лет тюрьмы парня освободили. А через несколько лет поймали настоящих преступников.

Неожиданные последствия рукопожатия

Иными словами, ДНК-профиль человека можно составить по материалу, который был перенесен на поверхность посредством физического контакта. В 2013 году результаты этого эксперимента помогли не допустить осуждения невиновного человека в штате Калифорния. На месте убийства была обнаружена его ДНК, однако выяснилось, что обвиняемого там не было, а ДНК перенесли сотрудники скорой помощи, которые ранее контактировали с ним, а после были вызваны на место происшествия.

Генетический код – определение, функция, типы и тест

Генетический код – это код, который наше тело использует для преобразования инструкций, содержащихся в нашей ДНК, в основные материалы жизни. Обычно это обсуждается с использованием «кодонов», найденных в мРНК мРНК – это мессенджер, который переносит информацию от ДНК к месту синтеза белка.

Все в наших клетках в конечном итоге построено на основе генетического кода. Наша наследственная информация, то есть информация, которая передается от родителя к ребенку, хранится в форме ДНК. Эта ДНК затем используется для создания РНК, белков и, в конечном итоге, клеток, тканей и органов.

Как и двоичный код, ДНК использует химический язык с несколькими буквами для очень эффективного хранения информации. В то время как двоичный файл использует только единицы и нули, ДНК имеет четыре буквы – четыре нуклеотида аденин, цитозин, гуанин и тимин / Урацил.

Тимин и урацил очень похожи друг на друга, за исключением того, что «тимин» немного более стабилен и используется в ДНК. Урацил используется в РНК и обладает теми же свойствами, что и тимин, за исключением того, что он немного более подвержен мутированию.

Это не имеет значения в РНК, так как новые копии РНК могут быть получены из ДНК в любое время, и большинство молекул РНК преднамеренно разрушаются клетка вскоре после того, как они произведены, чтобы клетка не тратила ресурсы, производя ненужные белки из старых молекул РНК.

Вместе эти четыре буквы A, C, G и T / U используются для «написания» закодированных инструкций для каждой аминокислоты, а также для других инструкций, таких как «начало» транскрипция И «прекратить транскрипцию.»

Инструкции для «начала», «остановки» или для данной аминокислоты «читаются» клеткой в ​​виде трехбуквенных блоков, называемых «кодонами». Когда мы говорим о «кодонах», мы обычно подразумеваем кодоны в мРНК – «РНК-мессенджер», которая создается путем копирования информации в ДНК.

По этой причине мы говорим о кодонах, изготовленных из РНК, в которой используется урацил, вместо исходного кода ДНК, в котором используется тимин.

Каждая аминокислота представлена ​​в наших генетических инструкциях одним или несколькими кодонами, как показано ниже.

Одно из самых замечательных свидетельств общий спуск всей жизни на Земле от одного предка является тот факт, что все организмы используют один и тот же генетический код для перевода ДНК в аминокислоты.

Есть несколько небольших исключений, которые могут быть найдены, но генетический код достаточно схож по организмам, что когда ген из растение или медузу вводят в клетку млекопитающего, например, клетка млекопитающего будет считывать ген таким же образом и создавать тот же продукт, что и исходное растение или медуза!

Функция генетического кода

Генетический код позволяет клеткам содержать ошеломляющее количество информации.

Подумайте об этом: микроскопически оплодотворенная яйцеклетка, следуя инструкциям, содержащимся в ее генетическом коде, может произвести человека или слона, который даже имеет сходные черты и поведение с поведением своих родителей. Там много информации!

Разработка генетического кода была жизненно важной, поскольку она позволяла живым существам надежно производить продукты, необходимые для их выживания, и передавать инструкции о том, как сделать то же самое, следующему поколению.

Когда клетка стремится размножаться, первое, что она делает, – это копирует свою ДНК. Это «S» фаза клеточный цикл, что означает «Синтез» новой копии ДНК клетки.

Информация, закодированная в ДНК, сохраняется путем специфического спаривания оснований ДНК друг с другом. Аденин будет связываться только с тимином, цитозин с гуанином и т. Д.

Это означает, что когда клетка хочет скопировать свою ДНК, все, что ей нужно сделать, это разделить две нити двойная спираль и выстраивают нуклеотиды, с которыми «хотят» соединиться основания существующей ДНК.

Это конкретное сопряжение оснований гарантирует, что новая цепочка партнеров будет содержать ту же последовательность пар оснований – тот же «код», что и старая цепочка партнеров. Каждый результат двойная спираль содержит одну нить старой ДНК в паре с одной нитью новой ДНК.

Эти новые двойные спирали будут наследоваться двумя дочерние клетки, Когда пришло время размножаться дочерним клеткам, каждая нить этих новых двойных спиралей выступает в качестве шаблонов для новой двойной спирали!

Когда для клетки приходит время «прочитать» инструкции, содержащиеся в ее ДНК, она использует тот же принцип специфической парной связи. РНК очень похожа на ДНК, и каждое основание РНК специфически связывается с одним основанием ДНК. Урацил связывается с аденином, цитозином с гуанином и т. Д.

Это означает, что, как и при репликации ДНК, информация в ДНК точно передается в РНК, если полученная цепь РНК состоит из оснований, которые специфически связываются с основаниями в ДНК.

Иногда сама цепь РНК может быть конечным продуктом. Структуры, сделанные из РНК, выполняют в себе важные функции, включая сборку белков, регулирование экспрессии генов и катализирование образования белков.

Фактически, некоторые ученые считают, что первая жизнь на Земле могла состоять в основном из РНК. Это потому, что РНК может хранить информацию в своих парах оснований точно так же, как ДНК, но также может выполнять некоторые ферментативные и регуляторные функции.

Однако в большинстве случаев РНК транскрибируется в белок. Используя аминокислотные «строительные блоки жизни», наши клетки могут создавать почти белковые машины практически для любых целей, от мускул волокна для нейротрансмиттеров для пищеварительных ферментов.

При транскрипции белка кодоны РНК, которые были транскрибированы с ДНК, «читаются» рибосома, Рибосома находит соответствующую трансферную РНК (тРНК ) с «анти-кодонами», которые дополняют кодоны в РНК-мессенджере (мРНК), которая была транскрибирована с ДНК.

Рибосомы катализируют образование пептидных связей между аминокислотами, когда они «читают» каждый кодон в мРНК. В конце процесса у вас есть цепочка аминокислот, как указано в ДНК, то есть белок.

Другие строительные блоки жизни, такие как сахара и липиды, в свою очередь, создаются белками. Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, преобразуется во все материалы жизни, используя генетический код!

Типы генетических мутаций

Поскольку генетический код содержит информацию, которая делает жизнь, ошибки в организм ДНК может иметь катастрофические последствия. Ошибки могут произойти во время репликации ДНК, если неправильно базовая пара добавляется к цепи ДНК, если основание пропущено или добавлено дополнительное основание.

Редко, эти ошибки могут действительно быть полезны – «ошибочная» версия ДНК может работать лучше, чем оригинал, или иметь совершенно новую функцию! В этом случае новая версия может стать более успешной, и ее носитель может превзойти носителей старой версии в Население, Это распространение новых черт среди населения, как эволюция прогрессирует.

Молчаливые мутации и избыточное кодирование

В некоторых случаях генетические мутации могут вообще не оказывать никакого влияния на конечный продукт белка. Это потому, что, как видно из приведенной выше таблицы, большинство аминокислот связаны с более чем одним кодоном.

Например, глицин кодируется кодонами GGA, GGC, GGG и GGU. мутация в результате неправильно нуклеотид использование последней буквы глицинового кодона не имеет значения. Кодон, начинающийся с «GG», все равно будет кодировать глицин, независимо от того, какая буква использовалась последней.

Предполагается, что использование нескольких кодонов для одной и той же аминокислоты является механизмом, развивающимся с течением времени, чтобы минимизировать вероятность небольшой мутации, вызывающей проблемы для организма.

Миссенс Мутация

В миссенс мутация замена одной пары оснований на неправильную пару оснований во время репликации ДНК приводит к тому, что в белке используется неправильная аминокислота.

Это может иметь небольшое влияние на организм или большое – в зависимости от того, насколько важна аминокислота для функции ее белка и какой белок влияет.

Это можно представить как конструкцию мебели. Насколько было бы плохо, если бы вы использовали не ту деталь, чтобы прикрутить ножку стула на место? Если бы вы использовали винт вместо гвоздя, они, вероятно, достаточно похожи, чтобы ножка стула оставалась на месте, но если вы попытаетесь использовать, скажем, подушку сиденья для соединения ножки с креслом, ваш стул не будет работать очень хорошо!

Миссенс-мутация может привести к ферменту, который почти так же, как и к нормальной версии, или к ферменту, который вообще не функционирует.

Глупая мутация

бессмысленная мутация происходит, когда неправильная пара оснований используется во время репликации ДНК, но где полученный кодон не кодирует неправильную аминокислоту.

Вместо этого эта ошибка создает стоп кодон или другая часть информации, которая не поддается расшифровке для ячейки. В результате рибосома перестает работать с этим белком, и все последующие кодоны не транскрибируются!

Нонсенс-мутации приводят к неполным белкам, которые могут функционировать очень плохо или вообще не функционировать. Представьте, что вы перестали собирать стул на полпути!

делеция

В делеционная мутация одно или несколько оснований ДНК не копируются во время репликации ДНК. Мутации удаления имеют огромный диапазон размеров – может отсутствовать одна пара оснований или большая часть хромосома может отсутствовать!

Меньшие мутации не всегда менее вредны. Потеря только одной или двух баз может привести к мутация сдвига кадров это нарушает жизненно важный ген, как обсуждается в разделе «мутации сдвига кадров» ниже.

Напротив, большие делеционные мутации могут быть фатальными – или могут приводить только к инвалидности, как при синдроме ДиДжорджа и других состояниях, возникающих в результате делеции части хромосомы.

Причина этого заключается в том, что ДНК очень похожа на компьютерный исходный код – один фрагмент кода может иметь решающее значение для включения системы вообще, тогда как другие фрагменты кода могут просто гарантировать, что веб-сайт выглядит красиво или быстро загружается.

В зависимости от функции фрагмента кода, который удален или иным образом видоизменен, небольшое изменение может привести к катастрофическим последствиям или, по-видимому, значительному искажению кода, которое может привести к тому, что система будет немного сбойной.

вставка

Инсерционная мутация возникает, когда один или несколько нуклеотидов ошибочно добавлены к растущей цепи ДНК во время репликации ДНК. В редких случаях длинные участки ДНК могут быть неправильно добавлены в середине гена.

Как и миссенс-мутация, влияние этого может варьироваться. Добавление ненужной аминокислоты в белок может сделать белок лишь немного менее эффективным; или это может нанести вред.

Подумайте, что случится с вашим креслом, если вы добавите в него случайный кусок дерева, которого не требуют инструкции. Результаты могут сильно различаться в зависимости от размера, формы и расположения дополнительного куска!

дупликация

Мутация дупликации происходит, когда сегмент ДНК случайно реплицируется два или более раз. Как и другие мутации, перечисленные выше, они могут иметь слабые последствия – или они могут быть катастрофическими.

Чтобы представить, было ли у вашего стула две спинки, два сиденья или восемь ножек. Небольшое дублирование и стул все еще могут быть использованы, если они выглядят немного странно или неудобно. Но если кресло имеет, например, шесть сидений, прикрепленных друг к другу, оно может быстро стать бесполезным по назначению!

Мутация смены кадров

Мутация сдвига кадров является подтипом мутаций вставки, делеции и дублирования. В мутации смещения кадра одна или две аминокислоты удаляются или вставляются, что приводит к смещению «рамки», которую рибосома использует, чтобы определить, где один кодон останавливается, а начинается следующий.

Этот тип ошибки может быть особенно опасным, поскольку он приводит к неправильному прочтению всех кодонов, возникающих после ошибки. Как правило, каждая аминокислота, добавленная к белку после мутации сдвига рамки, является неправильной.

Представьте, что вы читаете книгу – но в какой-то момент во время написания произошла программная ошибка, так что каждая последующая буква смещалась на одну букву позже в алфавите.

Слово, которое должно было читать «письмо», внезапно стало бы «mfuuft». Бо тп по.

Это примерно то, что происходит в мутации сдвига кадров.

викторина

1. Основными правилами спаривания ДНК и РНК являются:

Учитывая это, что из следующего будет анти-кодонной последовательностью для кодона мРНК, читающего «UUGCUGCAG?»A. AAGGACGUCB. AACGAGGUCC. AACGACGUCD. AACGACGUG

Ответ на вопрос № 1

С верно. Он содержит правильный комплимент всех букв в трех предоставленных кодонах мРНК.

2. Что из нижеперечисленного НЕ могло произойти в результате делеции одного нуклеотида?A. Ошибочная ошибка.B. Глупая ошибка.C. Мутация сдвига кадров.D. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 2

верно. Удаление одного нуклеотида приведет к мутации сдвига рамки, поскольку каждая аминокислота кодируется тремя основаниями. Рибосома будет продолжать считывать нуклеотиды в наборах по три – и поскольку один нуклеотид отсутствует, каждый набор из трех после этой делеции будет неправильным.

3. Для какой последовательности аминокислот кодируется последовательность мРНК UUGCUGCAG?A. Лейцин-изолейцин-глютаминB. Лейцин-лейцин-глютаминC. Лейцин-лейцин-АргининD. Изолейцин-изолейцин-глютамин

Ответ на вопрос № 3

В верно. Если вы обратитесь к таблице генетического кода в верхней части этой статьи, вы увидите, что это правильный перевод этой нуклеотидной последовательности.