Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

орых можно было изолировать из отдельных бляшек. Эксперименты с серийными переносами in vivo (инфекция Е. coli целыми фаговыми частицами) и in vitro (кинетические исследования на изолированных цепях РНК с использованием Qp-репликазы) позволили определить параметры скорости воспроизведения как для фага дикого типа, так и для мутанта-40, а также установить распределения их сателлитов. Метод «отпечатков пальцев» н анализ нуклеотидных последовательностей для ряда последовательных генераций показали, что в мутантной популяции происходят изменения, вызванные образованием ревертантов. Опыты с различными начальными распределениями фага дикого типа и мутанта обнаружили, что в процессе естественного отбора идет конкуренция между единственным доминирующим типом и мутантами. Количественные расчеты указывают на зависимость от данного селективного преимущества и от параметров распределения мутантной популяции. Селективное преимущество дикого типа по сравнению с данным конкретным мутантом равно

^дикнй тип ^мутант ^2-^-4,

в то время как скорость замещения равна примерно

1 — q ~ 3- 1(Г4.

Это значение q определяется скоростью образования ревертантов и, следовательно, относится к следующим (комплементарным) замещениям:

G —? А или С-»-U.

Согласно уравнению (20), факторы качества для плюс- и минус-цепей вносят равный вклад в точность воспроизведения. Замещения G->A и С—>-U, таким образом, эквивалентны. Возможно, они не очень сильно отличаются от замещений A-^-G н

U—?С, что обусловлено главным образом сходством «качаний» для взаимодействий GU и UG.

Поскольку реплицирующий фермент требует развертывания матрицы, чтобы она могла связаться с активным центром, значения q, вероятно, не зависят от вторичной или третичной структуры матрицы. Опыты in vitro с миди-вариантом РНК Qp [27] дают скорости замещения С—*и, которые согласуются со значениями, приведенными выше. Замещения пурин -> пиримидин и пиримидин —> пурин, по-видимому, происходят гораздо реже и поэтому не вносят существенного вклада в величину q.

Определить ат труднее, так как эта величина зависит от ЕкФт. Прежде всего обратим внимание на то, что модификация экстрацистронной области, которая не влияет ни на один белок, кодируемый фаговой РНК, существенно изменяет скорость репликации. Спигелман первый подчеркнул важность фена-типических свойств молекулы фаговой РНК в связи с механизмом репликации и отбора. Значение crm, приведенное выше, относится к определенному мутанту и его сателлитам. Другие мутации могут влиять на третичную структуру РНК Q$ иным образом, и, следовательно, соответствующие мутанты могут иметь другие скорости репликации. Более того, мутации в интрацистронных областях могут быть летальными и поэтому вообще не давать вклада в Еьфш. Если считать измеренное значение характерным для большей части мутаций, то тогда для максимального информационного содержания получится величина, лишь слегка превышающая действительный размер генома фага Qp, который составляет около 4500 нуклеотидов. Такое близкое соответствие кажется подозрительным, и мы сделали определенные оговорки. Однако эти оговорки относятся в основном к значению ат, которое входит в соответствующую формулу только в виде логарифма. При больших От тоже был бы получен приемлемый предел для vmax. Итак, приведенное значение в конечном счете может быть не так уж далеко от действительности.

Другая серия экспериментов, выполненных Вейс-маном с сотрудниками [34], показывает, что в распределении дикого типа присутствует сравнительно небольшое количество стандартного фага. Эти данные заставляют думать, что о*"1 Qm и что действительное число нуклеотидов на самом деле очень близко к пороговому значению vmax [см. уравнение (18)].

Миди-вариант, использованный в экспериментах Миллса, Спигелмана и др. [7], состоит всего из 218 нуклеотидов и, следовательно, не так хорошо адаптирован к изменениям среды, как РНК Qp-Он, конечно, оптимально адаптирован к специальной среде — «стандартной реакционной смеси», использованной в экспериментах in vitro (в которых не требовалось, чтобы молекулы РНК были инфекционны). Однако его реакция на изменения среды, например на добавление ингибитора репликации — этидиум-бромида,— оказалась довольно медленной. Мутант, полученный после 20 переносов, в каждом из которых могло происходить усиление в 105 раз, отличался от миди-варианта дикого типа всего в трех положениях и в новых условиях среды проявлял сравнительно небольшое селективное преимущество. Причиной медленной реакции является то, что 218 нуклеотидам при среднем качестве копирования отдельной буквы 0,9995 соответствуют значения Q, близкие к единице, так что последовательности дикого типа реплицируются очень точно — с образованием лишь сравнительно небольшого количества мутантов (!<С10%) из распределения ошибочных копий.

Замечательным результатом этих исследований с теоретической точки зрения является вовсе не тот факт, что пороговое соотношение выполняется как неравенство. Поскольку его вывод основывается на очень общих рассуждениях, любое серьезное несоответствие означало бы, что мы плохо понимаем, что такое дарвиновские системы. Для таких несоответствий нет никаких причин, потому что мы знаем достаточно хорошо молекулярный механизм репликации в таких «прозрачных» системах, как фаг Qp. Поистине удивительным результатом является то,

что в действительности значение v остается не только ниже порога vmax, но и почти совпадает с ним. Число нуклеотидов вполне могло бы лимитироваться не качеством копирования символа qt а другими факторами, что привело бы к значениям v, лежащим намного ниже порога, допускающего воспроизводимое накопление информации.

Итак, мы вынуждены заключить, что эти РНК-содержащие фаги в ходе своей эволюции действительно стремились накопить максимально возможное количество информации, используя при этом также большие экстрацистронные (но фенотипически актив-ные) области генома. Этот факт не исключает того, что при других (например, искусственных) условиях соревнование могли бы «выиграть» молекулы РНК гораздо меньшей длины — такие, как упомянутый выше миди-вариант, или что при других природных условиях существуют гораздо менее сложные жизнеспособные фаги. Еще важнее осознание того, что в природе не существует фагов с (одноцепочечной) РНК, геном которых был бы больше, чем примерно 10 000, нуклеотидов. Это заставляет полагать, что ферментативный механизм репликации РНК, особенно по отношению к дискриминации оснований Л и G или U и Ct достиг своего оптимума и не может быть далее улучшен. Никакая одноцепочечная РНК не способна поддерживать правильное воспроизведение информации, превышающей то количество, которое по порядку величины эквивалентно 1000—10 ООО нуклеотидов (точное значение зависит от от)Конечно, с химической точки зрения могут существовать молекулы большей длины, но они не имеют эволюционной ценности. Более того, уравнение (20) предписывает, что требованиям селективного сохранения информации должны удовлетворять как плюс-, так и минус-цепи, хотя только одна из цепей обязана нести генетическую информацию, транслируемую аппаратом хозяина. Эти выводы относятся лишь к молекулам РНК, которые во время своей репликации действуют как оджзцепочечные матрицы и для которых был предложен механизм репликации, изображенный на рис. 11 [11].

1V.3. Репликация ДНК

В случае двухцепочечных молекул, особенно ДНК, мы сталкиваемся с совершенно другой ситуацией. Такие молекулы обычно редуплицируются в форме двухцепочечных единиц, т. е. они могут считаться истинно самовоспроизводящими, по крайней мере в феноменологическом смысле (хотя передача информации и в этом случае основана на комплементарно-сти нуклеотидов).

Рассмотрим вкратце, что известно [10] о воспроизведении таких двухцепочечных молекул ДНК (см. рис. 12).

1. Репликация является полуконсервативным процессом. Двухцепочечная ДНК копируется с образованием двух (совершенно идентичных) дуплексов, каждый из которых содержит одну родительскую цепь.

2. Репликация начинается в определенной точке роста и может распространяться в обоих направлениях. Раскручиванию двойной спирали способствуют так называемые расплетающие белки; некоторые из них были выделены и идентифицированы. Они увеличивают скорость раскручивания на три порядка, в результате репликационная вилка движется сравнительно быстро. В то же время необходимо снимать напряжение кручения, вызванное раскручиванием части молекулы. Существует предположение, что вращение участков молекулы вокруг фосфодиэфирной связи может происходить благодаря разрывам 'Л воссоединениям цепи под действием эндонуклеаз и лигаз.

3. Репликация каждой из двух цепей происходит путем присоединения нуклеотидов в направлении 5'—?З'. ДНК-полимеразы способны присоединять мономеры только таким уникальным векторным путем, и этот процесс не может протекать на обеих цепях одновременно. Электронная микроскопия с разрешением около 100 А выявила наличие одноцепочечных участков только на одной стороне репликационной вилки; это позволяет думать, что построение второй цепи начинается лишь после того, как. возникает значительный промежуток, достаточный для продвижения в направлении 5/->3/.

4. Репликация осуществляется короткими дискретными импульсами. У прокариот фрагменты,

Рис. 12. Полуконсервативная репликация двухцепочечной ДНК — это крайне сложный процесс, состоящий из многих этапов, на которых протекают различные реакции и осуществляется контроль. Наиболее важные из этих этапов указаны на рисунке [10]. Обе дочерние цепи полимеризуются в направлении 5'-»-3'. Раскручивание родительской двойной спирали производится расплетающим белком (U). Синтез новых фрагментов инициируется РНК-затравками, которые образуются с помощью ферментативной системы (I) и затем гидролизуются, по-видимому, при участии нуклеазной активности полимеразы-I (Pi). Считают, что рост цепи до образования фрагментов длиной 1000—2000 нуклеотидов в основном производится комплексом полимеразы-Ш (Рш). Эти новообразованные так называемые фрагменты Ока-заки

страница 11
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Скачать книгу " Гиперцикл. Принципы организации макромолекул" (2.15Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.10.2017)