 Клетки кишечной палочки. Фото с сайта psu.edu Исправленному верить
Биологи научились менять генетический код
В 1961 году в журнале Nature появилась блестящая статья одного из открывателей структуры ДНК Френсиса Крика, в которой он, основываясь на очень скудных фактических данных, сумел, тем не менее, расшифровать генетический код. Ровно через 50 лет после выхода этой замечательной работы в другом престижном журнале - Science - появилась публикация, авторы которой предложили удобный и эффективный способ изменять этот код.
Буквы и точки
Все живые организмы планеты Земля "собирают" сами себя, руководствуясь инструкциями, записанными в их ДНК. Молекулы ДНК представляют собой линейные полимеры, составленные из четырех типов "букв" (по химической структуре это нуклеотиды) - А, Т, Г и Ц. Определенные сочетания троек этих "букв" кодируют те или иные аминокислоты - элементарные "кирпичики", из которых состоят белки. Такие тройки нуклеотидов были названы кодонами, и всего их насчитывается 64 штуки.
| В действительности, считывание инструкции по синтезу белка и собственно синтез происходит не непосредственно на ДНК, а на ее “зеркальной” копии – молекуле РНК, которая считывается с региона ДНК, содержащего информацию о том или ином белке. |
При этом большинство живых существ используют только 21 аминокислоту, так что почти на каждую элементарную составляющую белка приходится несколько кодонов. Кроме того, три кодона не кодируют аминокислот, а отвечают за "знаки препинания", понятные считывающим генетический код ферментам. Пунктуация генетического кода ограничивается точками - натыкаясь на соответствующие кодоны (их называют стоп-кодонами), ферменты прекращают синтезировать цепь аминокислот, и готовый белок высвобождается. Большинство организмов используют три типа точек - ТАГ, ТАА и ТГА.
Функционально эти стоп-кодоны не отличаются друг от друга, но за их распознавание отвечают различные ферменты. Например, у кишечной палочки Escherichia coli фермент RF1 считывает инструкции прекратить синтез белка, закодированные в кодонах ТАА и ТАГ, а фермент RF2 - инструкции, записанные в кодонах ТАА и ТГА.
Как и в любом другом языке, знаков препинания в генетическом коде меньше, чем собственно букв. Соответственно, изменить значение какого-либо стоп-кодона проще, чем значение любой другой тройки нуклеотидов. Авторы новой работы решили заменить в ДНК E. coli стоп-кодоны ТАГ на стоп-кодоны ТАА - таким образом, все "точки" при считывании белка будут распознаваться одним, ставшим универсальным ферментом - RF2.
ТАГ - самый редкий стоп-кодоном в геноме E. coli, и он встречается там 314 раз. Процесс замены "точек", разработанный Фарреном Исааксом (Farren Isaacs) из Гарвардской медицинской школы, Питером Кэрром (Peter Carr) из Массачусетского технологического института и их коллегами, состоял из нескольких этапов. На первой стадии ученые искусственно синтезировали 314 коротких фрагментов ДНК E. coli, в норме содержащие последовательность ТАГ - однако в новосинтезированных фрагментах ТАГ были заменены на ТАА.
На следующем этапе работы специалисты "загоняли" эти кусочки ДНК в геном бактерий. Для этого ученые "пробивали" мембрану бактериальных клеток при помощи разрядов тока (это стандартная молекулярно-биологическая техника), и синтезированные ими фрагменты протискивались в образовавшуюся брешь и встраивались в геном. Технологию синтеза и встройки нужных последовательностей в геном бактерий авторы работы в Science создали ранее и назвали ее MAGE (Multiplex automated genome engineering - автоматизированное повторяющееся изменение генома).
В итоге ученые получили 33 линии E. coli, в каждой из которых 10 каких-либо ТАГ-кодонов были заменены на ТАА. Для того чтобы получить линию бактерий, у которой все стоп-кодоны ТАГ были бы заменены на аналоги, исследователи разработали технику под названием CAGE (conjugative assembly genome engineering - изменение генома путем конъюгативной сборки).
Ключевым словом в непонятном названии техники является слово "конъюгация" - этим термином биологи обозначают процесс обмена генетическим материалом у бактерий. У этих живых существ нет полового процесса, аналогичного половому процессу, например, у животных - бактериальные клетки просто делятся надвое, предварительно создав копию собственной ДНК. Однако иногда бактерии обмениваются друг с другом фрагментами своей ДНК - для этого клетки соединяются вместе, и одна из них передает соседке несколько генов.
Авторы добились того, чтобы бактерии передавали друг другу именно те фрагменты ДНК, в которых ТАГ-кодоны "исправлены" на ТАА. Так как ученые знали, какие именно стоп-кодоны заменены на аналоги в каждой из 32 линий, полученных по итогам MAGE, они смогли организовать обмен между линиями так, чтобы конъюгирующая клетка получала от партнера именно те фрагменты ДНК, которые у нее самой все еще содержат неизмененный кодон ТАГ. В результате каждого цикла CAGE количество замен ТАГ на ТАА в каждой клетке удваивалось. В конце концов ученые получили четыре линии E. coli, в каждой из которых около четверти всех ТАГ-кодонов были заменены на ТАА.
На следующих стадиях "скрещивания" из этих четырех линий можно будет получить одну, в геноме которой не будет ни одного кодона ТАГ (пока ученые этого не сделали). Если удалить из ДНК таких бактерий гены, отвечающие за распознавание стоп-кодона ТАГ, то эту тройку нуклеотидов можно превратить в код для какой-нибудь искусственно созданной аминокислоты. Вставка генов, которые кодируют ферменты, распознающие и синтезирующие эту аминокислоту, является рутинной операцией, тем более, что ранее в других лабораториях уже проводились подобные работы.
Зачем
Создание организмов с измененным генетическим кодом является не только занимательной "загадкой для ума", которую любопытно решить. Бактерии, использующие нестандартные сочетания нуклеотидов для кодирования тех или иных аминокислот (или "точек" при синтезе), будут устойчивы к вирусам, которые используют для размножения генетический аппарат бактерий. Вирус, инфицировавший такую искусственно измененную клетку, не сможет синтезировать новые вирусные частицы, так как белоксинтезирующий аппарат зараженной бактерии будет включать в вирусные белки неправильные аминокислоты.
Кроме того, используя технику CAGE, биологи смогут создавать организмы, синтезирующие аминокислоты, которые не встречаются в природе. Теоретически, это позволит создавать белки с новыми свойствами - хотя до сих пор ученым не удалось превзойти природу по способности конструировать эффективно и точно работающие машины из аминокислот.
Одно из основных преимуществ технологии CAGE - это ее дешевизна. Сами авторы сравнивают созданный ими алгоритм внесения большого количества изменений в геном живых существ с весьма затратной работой одиозного исследователя Крейга Вентера, который в 2010 году представил созданный сотрудниками его института организм с полностью искусственным геномом. Хотя многие специалисты сомневаются в практической ценности изысканий Вентера.
Впрочем, до массового использования технологии CAGE, например, в фармакологии, еще далеко. Заменить стоп-кодоны оказалось сравнительно легко, но удастся ли исследователям так же эффективно менять тройки нуклеотидов, кодирующие собственно аминокислоты - пока неясно. Но в любом случае созданная авторами техника массовой замены генетического материала окажется полезной ученым для проведения самых разнообразных молекулярно-биологических исследований.
Источник: Лента.ру.
Рейтинг публикации:
|
