Итак, в начале процесса транскрипции двойная спираль ДНК частично раскручивается, ее цепи разделяются (естественно, с разрывом водородных связей), и фермент под названием ДНК-зависимая РНК-полимераза ползет по одной из цепей от 3'-конца к 5'-концу, синтезируя комплементарную этой цепи РНК. Отметим, что синтезируемая РНК точно так же, как и вторая цепочка ДНК, антипараллельна той цепи, которой она комплементарна. Это означает, что 5'-конец и 3'-конец у нее направлены в другую сторону (см. рис. 9.3).
Цепь ДНК, с которой идет транскрипция, называют кодирующей, противоположную — некодирующей. Тут возникает вопрос: откуда РНК-полимераза «знает», какая из цепей — кодирующая? Ответ: РНК-полимераза распознает кодирующую цепь по наличию в ней особой сигнальной нуклеотидной последовательности — промотора. В некодирующей цепи промотора нет, а есть комплементарная ему последовательность, которая распознана РНК-полимеразой не будет.
Пока мы еще не запутались, обратим внимание, что получающаяся в итоге иРНК будет повторять нуклеотидную последовательность именно некодирующей цепи (в том значении этого термина, которое мы сейчас приняли). Только, конечно, с повсеместной заменой тимина на урацил, как и при любом переносе информации с ДНК на РНК.
Ну, а мономерами, из которых строится новая молекула нуклеиновой кислоты, в клетке всегда служат нуклеозидтрифосфаты, то есть нуклеотиды с дополнительными фосфатными группами. В данном случае это АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ. «Лишние» фосфатные группы от них в процессе транскрипции отсекаются, а то, что остается, монтируется в сахарофосфатный остов новой РНК.
Вот, собственно, и все. Теперь мы знаем, что делают гены. Если отбросить всевозможные оговорки, ответ будет простым: они транскрибируются. Смысл существования любого гена состоит в том, чтобы рано или поздно синтезировалась РНК, повторяющая его нуклеотидную последовательность. Иначе говоря, чтобы произошла транскрипция. А механизм транскрипции — вот он, перед нами.
Центральная догма
Теперь мы можем объединить наши знания о транскрипции и трансляции в простую общую схему. Вот она:
ДНК
⇩ транскрипция
РНК
⇩ трансляция
белок
Именно так устроен поток генетической информации, который почти непрерывно бурлит в любой живой клетке. Он направлен от ДНК к белкам и проходит через РНК, служащую в передаче информации совершенно необходимым посредником.
Ключом к передаче информации тут, конечно, служит генетический код. Заглянув в таблицу генетического кода, мы можем, например, убедиться, что РНКовая последовательность АУГААГУУУУАГ кодирует аминокислоты метионин (АУГ), лизин (ААГ) и фенилаланин (УУУ). Четвертый присутствующий здесь кодон — УАГ — является стоп-кодоном. Это как бы «знак препинания», на котором транскрипция прерывается[66]. Если же подняться по пути потока информации выше, к ДНК, мы увидим, что обсуждаемому фрагменту соответствует последовательность АТГААГТТТТАГ в некодирующей цепи ДНК и ТАЦТТЦААААТЦГ — в кодирующей. Почему именно так, сразу станет понятно, если взглянуть на уже знакомый нам механизм транскрипции и вспомнить правила комплементарности: А в двойной цепи ДНК всегда спаривается с Т, а Г с Ц.
Переведем дух и поздравим себя. Отныне мы знакомы с великой формулой «ДНК → РНК → белок», которая с легкой руки Фрэнсиса Крика получила название центральной догмы молекулярной биологии. Эта формула (как и большинство подобных кратких формул) на самом деле требует множества оговорок, но самое главное о потоке генетической информации мы теперь знаем. Информация передается с ДНК на белок через посредство РНК (см. рис. 9.4).
Заодно мы сейчас видим, почему таблицу генетического кода лучше сразу давать в РНКовом варианте, то есть с заменой Т на У. Во-первых, в реальной живой природе трансляция всегда идет именно с РНК. А во-вторых, в ДНК нам пришлось бы постоянно разбираться в том, какая цепь кодирующая, а какая некодирующая (причем аминокислотной последовательности белка будет парадоксальным образом соответствовать последовательность некодирующей цепи, которая не транскрибируется). С точки зрения существа дела это ничего не меняет, а вот запутать может здорово. Переходя сразу к РНК, мы этих сложностей избегаем.
Центральная догма (дополнение)
Не нами замечено, что читателей научно-популярных книг по биологии, а также слушателей научно-популярных лекций и тому подобную публику можно приближенно разделить на две группы: тех, для кого заклинание «ДНК-РНК-белок» имеет какой-то смысл, и тех, для кого оно пока ничего не значит. Первая категория — это, что называется, «продвинутые пользователи», у вторых, вероятно, все еще впереди. Мы с вами теперь знаем, что такое «центральная догма», а значит, относимся к первой категории. Как видим, тут нет ничего особенно сложного. Но давайте посмотрим на нее, на «догму», повнимательнее.
Само слово «догма» в этом контексте является просто провокационной шуткой Фрэнсиса Крика (термин «центральная догма» предложил именно он). Ясно, что на самом деле в естественных науках никаких догм не бывает. И история «центральной догмы молекулярной биологии» отлично подтверждает это.
Сначала «центральная догма» выглядела просто: информация в клетке движется строго однонаправленно, по пути ДНК — РНК — белок. Однако на большинстве современных схем мы увидим не только стрелочку, направленную от ДНК к РНК (это транскрипция), но еще и другую стрелочку, направленную, наоборот, от РНК к ДНК. Примерно вот так:
ДНК ⇔ РНК ⇒ белок
Эта новая стрелочка обозначает обратную транскрипцию, то есть синтез ДНК, воспроизводящей последовательность заданной РНК. Обратная транскрипция — очень серьезное отступление от первоначально сформулированной «центральной догмы», настолько серьезное, что поначалу в него просто-напросто не поверили. Сейчас известно, что это вполне реальный процесс (на нем специализируются некоторые вирусы). Однако важнее всего тут сам факт: встречный поток генетической информации все-таки существует. Фермент, синтезирующий ДНК по последовательности данной РНК, называется, естественно, РНК-зависимой ДНК-полимеразой.
Обратная транскрипция упоминается в знаменитой повести Стругацких «За миллиард лет до конца света». Один из героев этой повести, биолог Валентин Вайнгартен, говорит друзьям: «Вы этого, отцы, понять не можете, это связано с обратной транскриптазой, она же РНК-зависимая ДНК-полимераза, она же просто ревертаза, это такой фермент в составе онкорнавирусов, и это, я вам прямо скажу, отцы, пахнет нобелевкой…» Между прочим, Стругацкие здесь поразительно точны. Действие повести «За миллиард лет до конца света» происходит в 1972 году, именно в тот исторический момент, когда открытие обратной транскрипции было актуальной научной новостью.
Кодаза и код
А теперь вернемся к процессу трансляции. В нем остались интересные детали, которые нам стоит обсудить.
Откуда рибосома «знает», какую именно аминокислоту она должна в данный момент присоединить к растущей белковой цепочке? Оказывается, в этом ей помогает еще одна разновидность РНК. Это — транспортная РНК (тРНК), занимающаяся только переносом аминокислот.
Транспортная РНК — одноцепочечная, но она причудливым образом фигурно сложена (см. рис. 9.5А). И, кроме того, на
