Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция - [29]

Итак, мы приходим к заключению, что необходимая для приобретения и иммунности, и толерантности соматически обучающаяся программа основана на ключевом взаимодействии (или связывании) антигенов с клонально экспрессирующи-мися поверхностными молекулами, распознающими антигены (антитела, ТкР). Это достигается в процессе дарвиновского отбора, действующего в популяции лимфоцитов. Это — основной принцип функционирования иммунной системы. Мы объясним в дальнейшем, что обратная связь между генами сомы и половых клеток дает логически последовательное объяснение всех уникальных молекулярно-генетических свойств иммунной системы. Но, прежде чем вести читателя дальше, мы должны потратить немного времени на описание деталей строения ДНК-последовательностей генов Ig и ТкР и некоторых необычных свойств этих генов.

Чем гены антител отличаются от других генов: перестройки ДНК вариабельной области

Принцип «ДНК делает РНК делает Белок», уже описанный в гл. 2, применим для всех организмов: от простых бактерий до сложньк позвоночных, включая человека. Однако существует одно важное отличие структуры генов высших клеток, включая клетки позвоночных, и соответствующих генов бактерий. Кодирующие последовательности эукариотических генов (экзо-ны) перемежаются с некодирующими участками ДНК (интронами).

В конце 1970-х годов Р. Роберте (Roberts) и П. Шарп (Sharp), получившие Нобелевскую премию в 1994 г., показали, что первичная копия информационной РНК (мРНК), образующаяся в клеточном ядре, содержит интронные последовательности, но к моменту выхода мРНК из ядра в цитоплазму, участки интронов в ней уже отсутствуют, а экзоны оказываются состыкованными, так что мРНК без запинки транслируется в белок.

Процесс удаления интронов называется сплайсингом РНК. Сплайсинг чрезвычайно точен, он редко разрезает РНК в неправильном месте. Сейчас известно, что для обозначения границ интронов существует сигнальная последовательность, узнаваемая особым ферментным комплексом (сплайсосомой). Некоторые интроны являются рибозимами (РНК-ферментами), способными к самосплайсингу. Возможно, это реликты «мира РНК», существовавшего много миллиардов лет назад. Часто сплайсосомы состоят из РНК и белка. Отметим один очень важный момент: места сшивок (разрезании), которые закодированы в ДНК-последовательности, разрезаются сплайсо-сомами, действующими на одноцепочечные последовательности РНК, только после транскрипции. Двухцепочечная ДНК генома никогда не разрезается в этих местах. Все гены, представленные одной копией (рис. 4.4), кодируют белки, необходимые для выполнения функций «домашнего хозяйства» клетки или многоклеточного организма. Именно эти гены являются предметом решения «жизнь или смерть» при дарвиновском отборе. Например, гены, кодирующие белковые субъединицы молекулы гемоглобина (которая переносит кислород от легких ко всем органам тела), представлены одной копией. Поврежденные молекулы, появившиеся в результате мутаций, обычно неэффективно переносят кислород и, следовательно, приводят к гибели организма или снижают его жизнеспособность.

Таким образом, в высших клетках имеется механизм редактирования РНК, который работает до того, как она появится в форме зрелой молекулы, кодирующей специфическую последовательность аминокислот — белок. Удаление интронов из РНК и соединение кодирующих последовательностей должны быть очень точными, чтобы гарантировать сохранение рамки считывания триплетов оснований (см. приложение). Если на этом этапе произойдет ошибка (и изредка они происходят), может образоваться мРНК с последовательностью «вне рамки». Обычно это приводит к синтезу ненормального белка и преждевременному прекращению синтеза из-за появления стоп-ко-дона. (Стоп-кодоны не определяют никакой аминокислоты. Таким образом, они прекращают добавление аминокислот к белковой цепи. Существует три стоп-кодона — это UAG,UAA и UGA.) Эти стоп-кодоны в норме определяют 3'-конец, или правую границу кодирующей последовательности гена. Преждевременная остановка (терминация) приводит к образованию более короткого белка, обычно со сниженной функцией. Следовательно, нормальные гены, кодирующие белки, можно представить как ряд соприкасающихся триплетных кодонов со стоп-кодоном на конце (подобно точке в конце предложения). Их называют открытой рамкой считывания (сокращенно ORF). Давление естественного отбора должно действовать против любой мутации, приводящей к появлению стоп-кодона внутри ORF.

Рис. 4.4. Строение бактериального гена и однокопийного эукариотического гена. На рисунке показаны различия в строении генов, кодирующих белок, у бактерий и у высших клеток. Обратите внимание, что левый конец цепи ДНК принято обозначать как 5'-конец, правый конец — как 3' (произносится как «пять штрих» и «три штрих», соответственно). Слово «однокопий-ный» означает, что в хромосоме находится только одна функциональная копия гена (в отличие от семейства V-генов, рис. 4.5, к которому относится много генов с очень высокой степенью сходства ДНК-последовательностей, расположенных в одной хромосоме). Участки ДНК, которые кодируют белок, изображены в виде прямоугольников. Двухцепочечная ДНК изображается прямой линией, одноцепочечная информационная мРНК — волнистой линией. Изогнутые стрелки указывают на точку начала транскрипции мРНК.