Генетический код и его свойства

Белки кита, дуба и кишечной палочки собраны из одних и тех же двадцати аминокислот, а порядок этих аминокислот записан в нуклеиновой кислоте всего четырьмя видами нуклеотидов. Правило перевода с одного языка на другой помещается в таблице из 64 клеток. Его расшифровали за пять лет, с 1961 по 1966 год, и тогда сочли одинаковым для всего живого.

Через тринадцать лет выяснилось, что в митохондриях человека действует другой вариант кода [1]. Позже нашлись инфузории, у которых нет ни одного кодона, означающего только остановку синтеза [2][3], и дрожжи, которые читают один кодон то как серин, то как лейцин [4]. Поэтому свойства кода полезно знать вместе с доказательствами и границами: так их легче запомнить и труднее перепутать.

• 1. Что такое генетический код
• 2. Как читать таблицу
• 3. Как расшифровали код
• 4. Свойства кода
• 5. Как клетка читает код
• 6. Начало, конец и рамка считывания
• 7. Мутации с точки зрения кода
• 8. Отклонения от стандартного кода
• 9. Почему код устроен именно так
• 10. Искусственные коды
• 11. Частые ошибки
• 12. Интересные факты
• 13. Частые вопросы
• 14. Что пока не решено
• 15. ЕГЭ: как решать задачи
• 16. Для олимпиад
• 17. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое генетический код

Свойства белка определяются порядком аминокислот в его цепи. Этот порядок записан в гене как последовательность нуклеотидов. Значит, нужно правило, по которому последовательность нуклеотидов переводится в последовательность аминокислот.

Код не следует смешивать с генетической информацией. Геном — это конкретный текст, у каждого вида и каждого организма свой. Код — правило чтения такого текста, и у подавляющего большинства организмов оно общее. Поэтому ген человека без интронов, снабжённый бактериальным промотором, работает в бактерии и даёт белок с той же последовательностью аминокислот. Так, например, получают человеческий инсулин.

Почему нужны именно три нуклеотида

Рассуждение простое. В РНК четыре вида нуклеотидов, а в белках двадцать основных аминокислот. Один нуклеотид мог бы обозначить только 4 аминокислоты, пара — 4² = 16. Этого мало. Тройка даёт 4³ = 64 сочетания, то есть с запасом. Такой подсчёт показывает лишь минимально возможную длину кодона. То, что кодон действительно состоит из трёх нуклеотидов, пришлось доказывать опытом [5].

Основные термины

• Триплет — любые три нуклеотида подряд. Кодоном обычно называют триплет мРНК, а триплет ДНК, с которого он списан, — кодогеном.
• Антикодон — три нуклеотида тРНК, комплементарные кодону.
• Смысловой кодон соответствует аминокислоте, стоп-кодон сигнализирует об окончании синтеза.
• Рамка считывания — разбиение последовательности на тройки, которое задаётся точкой начала чтения.
• Матричная цепь ДНК служит образцом при транскрипции. Вторая, кодирующая цепь совпадает с мРНК по составу, только вместо урацила в ней тимин.
• мРНК (матричная РНК) и иРНК (информационная РНК) — одна и та же молекула. В научной литературе принято первое название, в заданиях ЕГЭ — второе.

Концы цепей здесь важны. мРНК читается в направлении от 5′-конца к 3′-концу, и в этом же направлении записывают таблицу кода. Матричная цепь ДНК антипараллельна мРНК, а антикодон антипараллелен кодону. Большинство ошибок в задачах связано именно с этим. О том, как устроены сами молекулы РНК, подробно рассказано в статье о РНК.

2. Как читать таблицу

Таблицу кода составляют для мРНК, поэтому в ней есть урацил и нет тимина. Каждая крупная клетка объединяет кодоны с одинаковыми первым и вторым основаниями, а внутри неё строки различаются третьим основанием.

Первое основание находят в левом столбце, второе — в верхней строке, третье определяет строку внутри клетки. В таблице на экзамене третье основание вынесено в правый столбец, но смысл тот же. Кодон ГЦА: строка Г, столбец Ц, третья строка внутри клетки — аланин. В учебниках на английском языке те же кодоны записаны латиницей: У — это U, Ц — C, А — A, Г — G.

Распределение по группам условно: тирозин и цистеин, например, в разных классификациях попадают в разные группы. Но общий рисунок таблицы от этого не меняется. В столбце с урацилом на втором месте стоят только неполярные аминокислоты. В столбце с аденином собраны заряженные и полярные, и здесь же находятся два стоп-кодона. Сходные аминокислоты оказываются рядом; причины этого разобраны в разделе 9.

3. Как расшифровали код

Код на бумаге

Задачу кодирования в явном виде сформулировал не биолог, а физик. В 1954 году Г. Гамов предположил, что аминокислоты встраиваются в ромбические углубления на поверхности двойной спирали ДНК и что каждое углубление образовано четырьмя основаниями [6]. Если учесть симметрию, различных ромбов получается ровно 20. Схема оказалась неверной: белки собираются не на ДНК, а соседние ромбы перекрываются, поэтому аминокислоты в цепи зависели бы друг от друга.

Вокруг этой задачи собрался неформальный кружок физиков и биологов, но решить её умозрительно не удалось. Самая изящная из неверных идей принадлежала Ф. Крику, Дж. Гриффиту и Л. Оргелу. Они задались вопросом: как считывающая система находит начало тройки, если между кодонами нет разделителей? Ответ был таким: смысл имеют только те триплеты, которые не могут возникнуть на стыке двух других. Тогда неправильное прочтение просто не даст осмысленного кодона. Подсчёт показал, что таких триплетов не может быть больше двадцати [7]. Совпадение с числом аминокислот казалось неслучайным, однако код без запятых исключает кодоны из одинаковых букв, а именно такой кодон был расшифрован первым.

Умозрительный анализ дал и верный результат. С. Бреннер показал, что перекрывающийся код из троек невозможен: он запретил бы некоторые пары соседних аминокислот, а в известных белках такие пары встречались [8]. Другой верной идеей стала гипотеза адаптора Ф. Крика: аминокислота не может напрямую узнавать нуклеотиды, значит, между ними работает посредник. Им оказалась тРНК [9].

Опыт 1961 года: код читается тройками

Ф. Крик, Л. Барнетт, С. Бреннер и Р. Уоттс-Тобин работали с геном rII бактериофага T4. Мутагены из группы акридинов, как тогда предполагали, вставляют или удаляют одну пару оснований. Вирус с такой мутацией терял способность размножаться на одном из штаммов кишечной палочки, и это легко заметить на чашке с бактериями. Иногда активность возвращалась из-за второй мутации, расположенной рядом с первой. Авторы условно обозначили исходную мутацию знаком «+», а подавляющую её — знаком «−» [5]. Всего было получено около 80 независимых мутаций [10].

Сочетание «+» и «−» обычно давало работающий белок: нарушенным оказывался лишь короткий участок между мутациями. Сочетание двух «+» не работало. Решающим стал третий результат: три мутации одного знака восстанавливали функцию. Отсюда следовало, что единица считывания состоит из трёх нуклеотидов или из числа, кратного трём. Попутно авторы сделали ещё три вывода: код не перекрывается, чтение начинается с фиксированной точки и идёт без знаков препинания, а большинство триплетов имеет смысл. Иначе при сдвиге рамки между мутациями почти сразу встретился бы бессмысленный триплет.

Все эти выводы получены без единого прочитанного нуклеотида и без химического анализа белка. Прямое подтверждение появилось через пять лет, когда определили аминокислотную последовательность лизоцима у фагов с двумя компенсирующими сдвигами рамки: участок между мутациями отличался именно так, как предсказывал код [11].

Первый расшифрованный кодон

Химическая расшифровка началась с опытов на бесклеточной системе. М. Ниренберг и Г. Маттеи из Национальных институтов здоровья США работали с экстрактом кишечной палочки, в котором синтез белка идёт и без целых клеток. Они добавляли в неё разные РНК и следили за включением радиоактивно меченых аминокислот. Около трёх часов ночи 27 мая 1961 года в пробирку с меченым фенилаланином добавили синтетическую РНК, состоящую только из урацила. Система начала синтезировать полифенилаланин [12][13]. Так стало ясно, что кодон из одних урацилов (если код триплетный, это УУУ) обозначает фенилаланин.

В августе 1961 года М. Ниренберг выступил с этим результатом на Международном биохимическом конгрессе в Москве. На доклад пришли всего 35 человек. Узнав о результатах, Ф. Крик организовал повторное выступление, и второй доклад встретили овацией [12]. В последующие месяцы за работу взялась и лаборатория С. Очоа [14].

От состава к последовательности

Сополимеры из двух или трёх нуклеотидов в случайном порядке позволяли узнать только состав кодона. Если РНК содержит много урацила и мало гуанина, то чаще всего в ней будут кодоны УУУ, реже — кодоны с одним Г, но порядок букв в них неизвестен. Первый этап занял несколько лет [15].

Порядок оснований определили двумя методами, которые дополняли друг друга:

• Метод связывания (М. Ниренберг и Ф. Ледер, 1964). Отдельная тройка нуклеотидов не задаёт синтез белка, зато связывается с рибосомой и удерживает на ней соответствующую тРНК с аминокислотой. Такой комплекс задерживается на нитроцеллюлозном фильтре, а свободная тРНК проходит сквозь него. Перебирая тринуклеотиды известной последовательности, можно определить смысл большинства кодонов. Важно, что работают тройки, а динуклеотиды не работают [16].
• Повторяющиеся полимеры (Г. Корана и сотрудники). РНК с чередованием двух нуклеотидов, например УЦУЦУЦ…, в любой рамке содержит чередование двух кодонов, поэтому в белке чередуются две аминокислоты, здесь серин и лейцин. Этот результат одновременно подтверждал нечётную длину кодона [17][18].

К 1966 году код был расшифрован полностью [15][18]. В 1968 году Нобелевскую премию по физиологии или медицине разделили Р. Холли, определивший первую последовательность тРНК [19], Г. Корана и М. Ниренберг.

Стоп-кодоны и коллинеарность

Три кодона долго не удавалось связать ни с одной аминокислотой. С. Бреннер с сотрудниками показали, что они обрывают синтез белка: мутанты с такими кодонами давали укороченные цепи [20][21]. Тогда же было доказано ещё одно важное положение: порядок мутаций в гене соответствует порядку изменённых аминокислот в белке. Это показали Ч. Янофски с соавторами на триптофансинтетазе кишечной палочки и С. Бреннер с соавторами на белке головки фага T4 [22][23]. Такое соответствие называют коллинеарностью.

4. Свойства кода

В школьных пособиях обычно называют от пяти до восьми свойств. Списки немного различаются, но суть одна. Ниже каждое свойство дано вместе с тем, откуда это известно и где находятся его границы.

Триплетность

Длину кодона установили два независимых опыта: компенсация сдвига рамки у фага и связывание тРНК с рибосомой под действием тринуклеотида [5][16]. Для двадцати аминокислот и сигнала остановки хватило бы 21 сочетания, а их 64. В кодоне 6 бит, тогда как для различения 21 значения нужно примерно 4,4 бита. Этот запас и проявляется как вырожденность.

Однозначность

Прочитав кодон, можно определить аминокислоту, а по аминокислоте нельзя однозначно определить кодон. Отсюда практическое следствие: последовательность белка можно вывести из последовательности мРНК, но обратный перевод неоднозначен. Если в белке 300 аминокислот и в среднем на каждую приходится по 61/20 ≈ 3 кодона, то число возможных мРНК для него составляет порядка 10¹⁴⁵. Именно поэтому при выделении гена по известному белку используют смеси праймеров, а при создании искусственных генов выбирают один вариант из огромного числа.

Вырожденность

Смысловых кодонов 61, аминокислот 20, поэтому в среднем на аминокислоту приходится примерно три кодона. Но распределение неравномерно.

Часть аминокислот с большим числом кодонов действительно встречается в белках чаще. На эту связь обратили внимание Дж. Кинг и Т. Джукс: частоты аминокислот в целом соответствуют числу их кодонов, что согласуется с накоплением случайных нейтральных замен [24]. Но соответствие неполное. Самое заметное исключение — аргинин: шесть кодонов, а доля в белках меньше ожидаемой [24]. Подробнее об этом сказано в статье о нейтральной теории.

Вырожденность связана прежде всего с третьим основанием кодона. Посчитаем все точечные замены: у 61 смыслового кодона в каждом из трёх положений возможны три замены, то есть всего 549 вариантов.

Из 549 замен 134 синонимичны (24,4 %), причём 126 из них приходятся на третье положение. В первом положении синонимичны лишь 8 замен: это замены между кодонами лейцина (УУА, УУГ и ЦУА, ЦУГ) и аргинина (АГА, АГГ и ЦГА, ЦГГ). Во втором положении синонимичных замен нет совсем. Ещё 23 замены превращают смысловой кодон в стоп-кодон. Оставшиеся 392 замены меняют аминокислоту.

Неперекрываемость

Если бы соседние кодоны перекрывались, замена одного нуклеотида меняла бы две или три аминокислоты подряд. Но у мутантов, начиная с серповидноклеточного гемоглобина, меняется, как правило, одна аминокислота [25]. К этому же выводу вело и рассуждение С. Бреннера о запрещённых парах соседних аминокислот [8].

Важно различать код и ген. Код неперекрывающийся: в одной рамке нуклеотид принадлежит одному кодону. Но одна и та же последовательность может читаться в разных рамках. Геном бактериофага φX174 очень мал, и ген E целиком расположен внутри гена D, в другой рамке [26]. Это не отменяет свойства кода: в каждой из рамок чтение идёт последовательными тройками.

Непрерывность

Внутри кодирующей области нет разделителей: за одним кодоном сразу следует другой. Поэтому вставка или выпадение одного нуклеотида сдвигает рамку и искажает всё, что идёт дальше. Интроны не нарушают этого свойства: они вырезаются при созревании мРНК, а рибосома работает уже с непрерывной последовательностью кодонов.

Однонаправленность

Г. Динцис в 1961 году кратковременно вводил метку в растущие цепи гемоглобина и показал, что синтез идёт от N-конца к C-концу [27]. Направление чтения мРНК от 5′-конца к 3′-концу определили в 1965 году с помощью синтетических РНК [28]. Таким образом, начало мРНК (5′-конец) соответствует началу белка (N-конец).

Коллинеарность

Это свойство особенно наглядно при сравнении бактериальных генов с белками: каждому участку гена соответствует участок белка в том же порядке [22][23]. У эукариот нужно уточнение: кодирующая часть гена разбита интронами, поэтому точное соответствие относится к зрелой мРНК, а в гене сохраняется лишь порядок экзонов.

Универсальность

Стандартный код используется подавляющим большинством организмов [29], и это одно из сильнейших доказательств общего происхождения жизни. Но слово «универсальный» понимать буквально нельзя. Точнее было бы сказать «почти универсальный»: различия существуют, но они вторичны и затрагивают небольшую часть кодонов. Подробно они разобраны в разделе 8.

5. Как клетка читает код

В самой молекуле мРНК нет ничего, что химически связывало бы кодон УУУ с фенилаланином. Соответствие создают два класса молекул: транспортные РНК и ферменты, которые присоединяют к ним аминокислоты.

Двухступенчатый перевод

Первая ступень — аминоацил-тРНК-синтетазы. Как правило, для каждой аминокислоты есть свой фермент. Он узнаёт и аминокислоту, и подходящие для неё тРНК и соединяет их с затратой АТФ. Вторая ступень — спаривание антикодона с кодоном в рибосоме. Рибосома проверяет геометрию пары оснований, но не саму аминокислоту. Таким образом, код реализован не в рибосоме, а в наборе этих ферментов и тРНК.

Это наглядно показал опыт Ф. Шапвиля, Г. фон Эренштейна и их коллег 1962 года [30][10].

Изменённая аминокислота включалась в белок на те места, куда должен был попасть цистеин. Гипотеза адаптора получила прямое подтверждение: после присоединения к тРНК рибосома уже не проверяет, какая аминокислота находится на её конце. Поэтому сбой в работе синтетазы приводит к ошибке в белке, хотя кодон прочитан верно.

Как синтетаза отличает свою тРНК и свою аминокислоту

Логично было бы предположить, что фермент определяет тРНК по антикодону. Часто так и есть, но не всегда. Я. М. Хоу и П. Шиммел показали, что аланиновую тРНК кишечной палочки определяет одна нестандартная пара Г–У в акцепторной части молекулы, далеко от антикодона. Её замена лишала тРНК способности присоединять аланин. После переноса такой же пары в цистеиновую и фенилаланиновую тРНК фермент начинал присоединять к ним аланин [31]. Правила, по которым синтетазы узнают свои тРНК, иногда называют вторым генетическим кодом. В отличие от таблицы кодонов, это не единая таблица: у каждого фермента свои признаки узнавания.

Отличить саму аминокислоту ещё труднее. Изолейцин отличается от валина всего одной группой CH₂. Такая разница при связывании даёт выигрыш примерно в 100 раз, а синтетазы различают родственные аминокислоты в 10 000–100 000 раз [32]. Эту разницу обеспечивает исправление ошибок: изолейциновая синтетаза иногда активирует валин, но в присутствии тРНК гидролизует неправильный продукт [33].

Неоднозначное спаривание

Если бы для каждого смыслового кодона требовалась своя тРНК, нужна была бы 61 тРНК. На деле их обычно меньше. В 1966 году Ф. Крик предложил объяснение: первые два основания кодона образуют строгие пары, а для третьего допустима небольшая свобода расположения [34]. В англоязычной литературе это явление называют wobble, а в русскоязычной — неоднозначным спариванием или качанием.

Положение, в котором допустима неоднозначность, — третье в кодоне и первое (5′-концевое) в антикодоне. Теперь понятно, почему вырожденность сосредоточена в третьем основании: таблица кода согласуется с устройством считывающей системы.

Особую роль играет инозин. В аланиновой тРНК, последовательность которой определил Р. Холли, это необычное основание находится в антикодоне [19]. Инозин образуется из аденозина в уже готовой тРНК. Его азотистое основание гипоксантин отличается от гуанина отсутствием аминогруппы.

гуанин

гипоксантин

Инозин спаривается с У, Ц и А, поэтому одна тРНК с таким антикодоном читает сразу три кодона. Правило Ф. Крика позже уточнили: спаривание в первом положении антикодона сильно зависит от химической модификации основания. Одни модификации сужают набор читаемых кодонов, другие расширяют его [35].

По обычным правилам неоднозначного спаривания полный набор кодонов требует 32 вида тРНК. Некоторым системам хватает меньшего числа. В митохондриях человека закодированы только 22 тРНК [36]. В пластидах опыты с удалением тРНК показали, что одна тРНК с урацилом в первом положении антикодона может прочитать всё семейство из четырёх кодонов, хотя и с разной эффективностью [37]. Такое явление назвали суперкачанием.

Точность

Трансляция идёт с ошибками. В обзоре Д. Драммонда и К. Уилке обобщены данные: неверная аминокислота встраивается примерно один раз на 1000–10 000 кодонов. При средней частоте 5·10⁻⁴ около 15 % молекул белка средней длины (335 аминокислот) содержат хотя бы одну неправильную аминокислоту [38]. От устройства кода зависит, насколько вредны такие ошибки (раздел 9).

6. Начало, конец и рамка считывания

Старт

Один и тот же кодон АУГ выполняет две задачи: задаёт начало синтеза и кодирует метионин внутри белка. Различие определяется положением кодона и окружением. У эукариот малая субъединица рибосомы движется от 5′-конца мРНК и обычно начинает с первого АУГ в подходящем окружении. У бактерий положение старта задаётся участком мРНК, спаривающимся с рРНК малой субъединицы.

Запускает синтез особая инициаторная тРНК. У бактерий на ней находится формилметионин, поэтому начальная аминокислота отличается от той, что встраивается в середину цепи. Часть бактериальных генов начинается с ГУГ или УУГ: в этом положении они тоже дают формилметионин, хотя в середине гена означают валин и лейцин. Значит, на старте аминокислоту определяет не сам кодон, а инициаторная тРНК. У эукариот начало трансляции с других кодонов раньше считали редкой ошибкой, но современные методы показали, что оно встречается часто и влияет на важные клеточные процессы [39].

Ещё одно уточнение: у готового белка первым может оказаться не метионин. Начальный метионин часто отщепляется сразу после синтеза.

Стоп

Кодоны УАА, УАГ и УГА в стандартном коде не имеют соответствующих тРНК. Их узнают белки — факторы терминации, которые входят в тот же участок рибосомы, что и тРНК, и освобождают готовую цепь. У бактерий их два: RF1 узнаёт УАА и УАГ, а RF2 — УАА и УГА. У эукариот все три кодона распознаёт один белок eRF1.

Стоп-кодон можно прочитать и как смысловой. Мутация в антикодоне тРНК позволяет ей спариваться с одним из стоп-кодонов, и тогда рибосома вставляет аминокислоту там, где синтез должен был оборваться. Такие мутации называют супрессорами: они исправляют действие нонсенс-мутаций в других генах [20]. Клетка выживает с супрессором, потому что такая тРНК соперничает с факторами терминации и большинство обычных стоп-кодонов продолжает работать. Именно этот приём позже стал основой искусственного расширения кода (раздел 10).

Стоп-кодон не обязательно записан в гене целиком. В митохондриях человека многие гены кончаются на У или УА, а недостающие основания появляются после транскрипции при добавлении полиаденилового хвоста [36].

Шесть рамок считывания

Любой участок двойной цепи ДНК можно прочитать шестью способами: по три рамки на каждой цепи. На одной и той же мРНК три рамки дают совершенно разные продукты.

Открытой рамкой считывания называют участок от старт-кодона до ближайшего стоп-кодона в той же рамке. В случайной последовательности равновероятных нуклеотидов стоп-кодон встречается в среднем каждые 64/3 ≈ 21 кодон, поэтому длинная открытая рамка почти наверняка не случайна. На этом основан простейший поиск генов в прочитанном геноме. Подробнее об этом сказано в статье о функциональной аннотации геномов.

Запрограммированный сдвиг рамки

Иногда рибосома сама переходит в другую рамку в строго определённом месте. Т. Джекс и Х. Вармус показали, что у вируса саркомы Рауса таким способом получается слитный белок gag-pol. Его примерно в 20 раз меньше, чем обычного белка gag [40]. Похожий сдвиг нужен коронавирусу SARS-CoV-2 для синтеза собственной РНК-полимеразы: структура РНК в виде псевдоузла упирается во вход канала рибосомы, создаёт натяжение и способствует сдвигу [41].

Клетки млекопитающих используют такой механизм для тонкой регуляции. Ген антизима, белка, подавляющего синтез полиаминов, содержит сдвиг на +1, частота которого зависит от концентрации самих полиаминов. Получается саморегуляция: чем больше полиаминов, тем чаще читается полный белок, который снижает их синтез [42].

7. Мутации с точки зрения кода

Серповидноклеточная анемия

В. Ингрэм в 1957 году показал, что гемоглобин S отличается от нормального одной аминокислотой: глутаминовая кислота заменена на валин [25]. После расшифровки кода эта замена получила точное объяснение: кодон ГАГ шестой аминокислоты β-глобина превратился в ГУГ, то есть изменилось только второе основание. Заряженную аминокислоту заменила неполярная, и при низком содержании кислорода молекулы гемоглобина образуют длинные волокна.

Логика кода важна здесь и для лечения. Чтобы вернуть исходный кодон, нужно заменить Т на А в кодирующей цепи, а редактор оснований, превращающий аденин в гуанин, этого не может. Зато он способен заменить аденин матричной цепи, стоящий напротив этого Т. Тогда в кодирующей цепи вместо ГТГ окажется ГЦГ, а в белке — аланин. Такой вариант гемоглобина, называемый Макассар, встречается у людей и болезни не вызывает. В опыте на мышах с пересаженными клетками крови человека доля серповидных клеток среди незрелых эритроцитов снизилась в пять раз [43].

Синонимичная не значит безвредная

Синонимичные мутации долго называли молчащими, но белковая последовательность — не единственное, что записано в мРНК [44].

• Сплайсинг. Гены SMN1 и SMN2 кодируют одинаковый белок. Но в экзоне 7 гена SMN2 есть замена Ц → Т в кодоне 280, которая не меняет аминокислоту и при этом приводит к пропуску экзона. Поэтому SMN2 лишь частично заменяет SMN1, и при утрате SMN1 развивается спинальная мышечная атрофия [45].
• Сворачивание. Синонимичный вариант в гене MDR1 сопровождается изменением формы и свойств белка-переносчика при том же количестве мРНК и белка. Авторы объясняют это тем, что редкий кодон меняет время сворачивания и встраивания в мембрану [46].
• Устойчивость мРНК. В опытах на дрожжах мРНК с оптимальными кодонами оказались устойчивее, а замена оптимальных кодонов на синонимичные неоптимальные резко ускоряла их разрушение [47].

Синонимичные кодоны используются неравномерно, и у разных организмов предпочтения разные. Это учитывают при создании генов для биотехнологии: ген человека для синтеза белка в бактерии часто переписывают, заменяя редкие для неё кодоны [44].

8. Отклонения от стандартного кода

В 1979 году сравнение гена цитохромоксидазы митохондрий человека с белком показало, что УГА там означает не конец синтеза, а триптофан, а АУА, по-видимому, метионин [1]. Следовательно, в каждой клетке человека одновременно работают два варианта кода: в цитоплазме и в митохондриях. Сейчас в справочнике генетических кодов NCBI перечислено 27 таблиц [48].

Первые отклонения в ядерном коде нашли в 1985 году у инфузорий: у тетрахимены УАА кодирует глутамин [49]. Тогда же у бактерии Mycoplasma capricolum выявили чтение УГА как триптофана [50]. Большинство изменений в ядерных кодах эукариот затрагивают именно стоп-кодоны [51]. Вероятная причина в том, что в гене стоп-кодон обычно один, поэтому смена его значения меняет гораздо меньше мест в белках, чем смена распространённого смыслового кодона.

Кодоны АГА и АГГ в митохондриях человека

Кодоны АГА и АГГ долго считали дополнительными стоп-кодонами митохондрий человека, но объяснить это было трудно. Р. Темперли с соавторами показали, что такие кодоны, вероятно, не читаются напрямую. Рибосома сдвигается на один нуклеотид назад, и в её участке оказывается обычный стоп-кодон [52]. Это пример того, как табличная запись не передаёт всех тонкостей работы рибосомы.

Двусмысленные кодоны

Классическое свойство однозначности нарушается у некоторых дрожжей. У Candida albicans основное значение ЦУГ — серин [53], но часть таких кодонов читается как лейцин, и это увеличивает разнообразие белков [54]. Дрожжи Ascoidea asiatica читают ЦУГ как серин и как лейцин примерно поровну и случайным образом, поэтому точно предсказать последовательность их белков невозможно. Такое чтение вредно: ЦУГ здесь редок, не встречается в консервативных положениях и попадает в основном в гены со слабой экспрессией [4].

Кодон и конец мРНК

Ещё необычнее Condylostoma magnum и родственные инфузории. Все три стандартных стоп-кодона у них могут кодировать аминокислоты. Как же определить конец белка? По-видимому, сигналом служит положение: тот же кодон означает аминокислоту в середине мРНК и остановку вблизи её 3′-конца [2][3]. Похожее устройство, независимо возникшее, есть у жгутиконосцев Blastocrithidia [55]. У инфузорий Euplotes стоп-кодоны часто вызывают сдвиг рамки, а настоящее окончание тоже зависит от положения в мРНК [56]. Эти данные показывают, что сам по себе кодон может не определять своего значения.

Двадцать первая и двадцать вторая аминокислоты

Селеноцистеин отличается от цистеина заменой серы на селен. В 1986 году две группы независимо показали, что его включение определяется кодоном УГА: у мыши в гене глутатионпероксидазы и у кишечной палочки в гене формиатдегидрогеназы [57][58].

цистеин

селеноцистеин

Селеноцистеин образуется не из свободной аминокислоты: особая тРНК с антикодоном к УГА сначала присоединяет серин, который затем превращается в селеноцистеин прямо на ней [59]. Чтобы УГА был прочитан не как стоп, в мРНК нужна специальная структура — элемент SECIS [60]. В геноме человека закодировано 25 селенопротеинов [61].

Пирролизин описан в 2002 году у архей-метаногенов Methanosarcina barkeri: в их метилтрансферазах эту аминокислоту кодирует УАГ [62][63]. Для неё есть своя тРНК с антикодоном к УАГ и своя синтетаза.

лизин

пирролизин

Здесь важно уточнение. Гидроксипролин, цитруллин и другие необычные остатки образуются уже после синтеза белка, а не кодируются. Селеноцистеин и пирролизин отличаются тем, что включаются в цепь при трансляции по кодону. Поэтому их называют двадцать первой и двадцать второй генетически кодируемыми аминокислотами [62].

Новые находки

Широкий поиск показал, что коды изменяются чаще, чем считалось. Анализ 5,6 триллиона пар оснований метагеномных данных выявил переназначение стоп-кодонов у множества бактериофагов и бактерий [64]. Поиск по более чем 250 000 геномов бактерий и архей обнаружил пять новых случаев замены смысла кодонов аргинина. Это первые случаи замены смыслового кодона у бактерий, причём в некоторых геномах кодон АГГ стал основным кодоном метионина [65].

Как может измениться код

Обсуждается несколько моделей [66]. Вот три самые известные:

• Захват кодона. Давление мутаций, например в сторону пар А–Т или Г–Ц, делает кодон крайне редким. Он исчезает, а затем снова появляется с новым значением. Именно так, вероятно, изменились кодоны ЦГА и ЦГГ у бактерий с низким содержанием Г и Ц в геноме [65].
• Неоднозначный посредник. Сначала кодон читается двумя способами, затем одно из значений вытесняет другое. На такую возможность указывает двойное чтение ЦУГ у кандиды [54].
• Утрата тРНК. Исчезновение тРНК оставляет кодон непрочитанным, и его занимает другая тРНК. Эту модель поддерживают авторы работ о ЦУГ у дрожжей [66][4].

Как правило, изменения кода связаны не с заменой антикодона, а с модификацией тРНК после транскрипции [67].

9. Почему код устроен именно так

Застывшая случайность

В 1968 году Ф. Крик объяснил всеобщность кода так: его первоначальное устройство могло быть в значительной мере случайным, но после появления множества белков изменить его стало почти невозможно. Смена значения одного кодона меняет сразу тысячи белков, и большинство таких изменений вредны [68]. Эту идею называют застывшей случайностью.

Но код устроен не случайно. К. Вёзе ещё в 1965 году заметил, что сходные аминокислоты получают близкие кодоны [69]. Позже к объяснению всеобщности добавился и горизонтальный перенос генов: ранние организмы могли активно обмениваться генами только при общем коде. По расчётам К. Ветсигяна, К. Вёзе и Н. Голденфельда, такой обмен сам мог способствовать появлению единого кода [70]. Изменение кода препятствует горизонтальному переносу и сегодня [29].

Устойчивость к ошибкам

Таблица устроена так, что ошибки чаще всего не слишком вредны. Замена в третьем положении часто ничего не меняет. Замена в первом обычно даёт похожую аминокислоту. Д. Хейг и Л. Хёрст сравнили код со случайными таблицами, сохраняющими ту же степень вырожденности: по показателю полярности только 0,02 % случайных кодов оказались устойчивее к заменам [71]. С. Фриланд и Л. Хёрст учли, какие ошибки чаще происходят при трансляции, и получили известный результат: лишь один из миллиона случайных вариантов превосходит природный код [72].

Следует ли отсюда, что такая устойчивость возникла под действием отбора? Здесь мнения расходятся. Е. В. Кунин и А. С. Новожилов считают её скорее побочным результатом расширения кода: новые аминокислоты получали кодоны, близкие к кодонам родственных им аминокислот [29]. С. Масси и М. Ди Джулио спорят о том, можно ли считать такой процесс нейтральным [73][74].

Гипотеза коэволюции

Дж. Вонг в 1975 году предположил, что код рос вместе с метаболизмом. Сначала кодировались немногие простые аминокислоты, а затем их биосинтетические производные наследовали часть кодонов своих предшественников [75].

Стереохимическая гипотеза

По этой гипотезе соответствие не случайно, потому что аминокислота химически связывается с собственными кодонами или антикодонами. М. Ярус с соавторами проанализировали 337 независимых участков связывания в РНК для восьми аминокислот и обнаружили, что в таких участках соответствующие триплеты встречаются значительно чаще ожидаемого. Однако в таких участках встречается лишь 21 % возможных триплетов, поэтому прямое сродство объясняет не всё [76].

Эти гипотезы не исключают друг друга. Вероятно, код прошёл несколько этапов, и на каждом действовали разные причины [29].

10. Искусственные коды

Раз код реализуется ферментами и тРНК, его можно изменить. Это быстро развивающееся направление синтетической биологии.

Новая аминокислота на месте стоп-кодона

В 2001 году группа П. Шульца создала пару из тРНК и синтетазы, которая не взаимодействует с собственными тРНК и ферментами кишечной палочки. В результате клетка стала включать в белок синтетическую аминокислоту O-метил-L-тирозин по кодону УАГ, причём точность превышала 99 % [77]. Позднее особенно удобной оказалась система пирролизина: её фермент удаётся перестраивать под новые субстраты [78].

Освобождение кодонов

Следующий шаг — удалить кодон из всего генома. В 2013 году М. Лажуа с соавторами заменили все известные УАГ кишечной палочки на УАА, удалили фактор терминации RF1 и освободили кодон для нового значения. Такие клетки стали устойчивее к фагу T7 [79].

В 2019 году группа Дж. Чина создала штамм Syn61 с полностью синтетическим геномом длиной 4 млн пар оснований [80].

Исправлений после замены кодонов потребовали всего семь положений, однако время удвоения штамма выросло примерно в полтора раза [80]. Следующая работа оказалась особенно наглядной. Клетки без двух сериновых тРНК и фактора RF1 уже не могут читать стандартный код, поэтому полностью устойчивы к набору вирусов. На освободившихся кодонах в белки удалось включить сразу три разные неканонические аминокислоты [81]. В 2025 году та же группа сообщила о штамме Syn57, в геноме которого заменены все известные случаи шести смысловых кодонов и одного стоп-кодона; на 20 аминокислот у него приходится 55 кодонов [82]. Ещё раньше, в 2016 году, другая группа спроектировала геном на 57 кодонов с 62 214 заменами и проверила значительную часть изменённых генов [83].

Кодоны из четырёх нуклеотидов и новые буквы

Выйти за пределы 64 сочетаний можно двумя путями. Первый — читать четыре нуклеотида вместо трёх. Для этого созданы рибосома и тРНК, которые читают четвёрки нуклеотидов и работают отдельно от основной системы клетки [84][85]. Второй — добавить в алфавит новые основания. Первые искусственные пары были включены в ДНК и РНК в пробирке ещё в 1990 году [86]. В 2014 году кишечная палочка стала копировать плазмиду с неприродной парой, если её снабжали неприродными нуклеотидами [87], а в 2017 году неприродные кодоны были прочитаны рибосомой при синтезе белка в живой клетке [88]. В пробирке с ДНК из восьми «букв» уже удалось синтезировать работающую РНК [89]. Такие работы важны и для теории: они показывают, что четырёхбуквенный алфавит не единственно возможный, хотя в живой природе он, по-видимому, остался от мира РНК [90].

11. Частые ошибки

12. Интересные факты

• Откуда у стоп-кодонов такие имена. Первый мутант с таким кодоном назвали amber, «янтарь». Р. Эпштейн и Ч. Стейнберг в 1960 году шутя пообещали назвать находку в честь Х. Бернстайна, который помогал им в работе. Фамилия Бернстайн по-немецки означает янтарь. Правда, очевидцы расходятся в том, идёт ли речь о самом Х. Бернстайне или о его матери [91]. Два других стоп-кодона получили названия в том же духе: ochre (охра) и opal (опал).
• Физик и таблица кода. Первая работа о симметрии кода появилась в 1966 году, через несколько месяцев после завершения расшифровки. Её автор, физик-теоретик Ю. Б. Румер, опубликовал её на русском языке, а английский перевод появился только в 2016 году [92][93]. Подробно эта симметрия разобрана в разделе для олимпиад.
• Код как средство защиты. Обнаружены бактериофаги, код которых отличается от кода их хозяев. Авторы считают, что такие различия участвуют в противостоянии вируса и клетки [64].
• Бактерия со своим кодом во рту человека. Бактерии SR1, связанные с воспалением дёсен, читают УГА как глицин [94]. На момент открытия этих бактерий не удавалось вырастить в лаборатории, поэтому геном прочитали из одной клетки.
• Случайное совпадение. Двадцать ромбов Г. Гамова и двадцать осмысленных триплетов кода без запятых совпали с числом аминокислот, но оказались случайным совпадением. Этот случай хорошо показывает, что красивого подсчёта для доказательства недостаточно.
• Цена ошибки. Если в среднем на 2000 кодонов приходится одна неправильная аминокислота, то больше трети молекул белка длиной 1000 аминокислот содержат ошибку [38].

13. Частые вопросы

Что такое кодон и чем он отличается от триплета?
Триплет — любые три соседних нуклеотида в нуклеиновой кислоте. Кодон — триплет мРНК, соответствующий аминокислоте или сигналу остановки. Антикодон — три нуклеотида в тРНК.

Почему аминокислот 20, а кодонов 64?
Длины два не хватает (16 сочетаний), поэтому минимальная длина равна трём. Лишние сочетания распределились между аминокислотами как синонимы, а три стали стоп-кодонами. Почему аминокислот именно 20, точно не установлено.

Сколько существует стартовых кодонов?
Для школьной задачи один — АУГ. На самом деле у бактерий есть ещё ГУГ и УУГ, а у эукариот встречается начало трансляции с других кодонов.

Правда ли, что генетический код один для всех организмов?
Он почти один. Основная часть таблицы сохраняется, но известны десятки вариантов, различающихся значением отдельных кодонов.

Можно ли искать в таблице триплеты ДНК?
Таблица составлена для мРНК. Триплет кодирующей цепи совпадает с кодоном, только вместо урацила в нём тимин. Триплет матричной цепи нужно сначала перевести в кодон.

Чем однозначность отличается от вырожденности?
Однозначность: кодону соответствует одна аминокислота. Вырожденность: аминокислоте соответствует один или несколько кодонов.

Что называют вторым генетическим кодом?
Правила, по которым аминоацил-тРНК-синтетазы узнают свои тРНК. От них зависит, какая аминокислота окажется на тРНК с данным антикодоном.

Зачем нужна вырожденность?
Она возникла, скорее всего, не ради какой-то цели. Однако в результате многие замены третьего основания не меняют белок, а часть синонимов используется для регуляции синтеза.

Может ли мутация ничего не изменить?
В белке — да, если она синонимична. Но она может повлиять на сплайсинг, сворачивание и устойчивость мРНК.

Сколько нуклеотидов нужно для кодирования белка?
По три на каждую аминокислоту и ещё три на стоп-кодон. Белок из 200 аминокислот требует 603 нуклеотида кодирующей части. У эукариот к ним добавляются некодирующие концы мРНК, а в гене ещё и интроны.

Может ли один ген давать разные белки?
Да: при альтернативном сплайсинге, запрограммированном сдвиге рамки или считывании стоп-кодона как смыслового. Правило чтения при этом остаётся прежним, меняется то, какие кодоны прочитаны.

14. Что пока не решено

• Происхождение таблицы. Неизвестно, какой вклад внесли химическое сродство, расширение метаболизма и отбор на устойчивость к ошибкам [29].
• Почему аминокислот двадцать. Нет общепринятого объяснения, почему их набор именно таков и почему расширение на этом остановилось.
• Откуда взялась симметрия Румера. Её существование можно проверить в таблице простым подсчётом, но биологический смысл остаётся предметом споров [93].
• Насколько распространены нестандартные коды. Большинство организмов никогда не выращивали, и поиск по геномам, вероятно, ещё далёк от завершения [65][64].
• Как определяется конец белка без отдельного стоп-кодона. Для Condylostoma и Blastocrithidia молекулярный механизм различения в значительной мере неизвестен [2][55].
• Какова роль синонимичных кодонов. Часто трудно разделить вклад скорости трансляции, устойчивости мРНК и давления мутаций [44].
• Каков предел переписывания кода. Штамм Syn57 показывает, что число кодонов можно сократить ещё сильнее [82], но минимально достаточный набор неизвестен.

15. ЕГЭ: как решать задачи

В кодификаторе ЕГЭ-2027 по биологии тема входит в раздел 2.5 «Реакции матричного синтеза»: реализация наследственной информации, генетический код и его свойства, транскрипция, трансляция [95]. Задачи с таблицей встречаются в задании 27. В демоверсии 2027 года в условии указано, что нижняя цепь матричная, и отдельно требуется показывать направление цепей [96]. Закрепить тему можно в уроках «Матричный синтез и свойства генетического кода» и «Транскрипция и трансляция».

Что запомнить

• 64 кодона: 61 смысловой и 3 стоп-кодона (УАА, УАГ, УГА).
• Старт — АУГ, он же кодирует метионин.
• По одному кодону — у метионина и триптофана, по шесть — у лейцина, серина и аргинина.
• Нуклеотиды матричной цепи ДНК комплементарны мРНК; пары: А–У, Т–А, Г–Ц, Ц–Г.
• Цепи записывают с указанием концов: иРНК 5′→3′, матричная ДНК в нашем примере 3′→5′.

Тип 1. От ДНК к белку

Условие. Матричная цепь фрагмента ДНК: 3′-ТАЦ ЦГТ ААА ГГЦ ТАГ АТТ-5′. Определите иРНК, антикодоны тРНК и последовательность аминокислот.

1. Строим иРНК по принципу комплементарности; она антипараллельна матричной цепи: 5′-АУГ ГЦА УУУ ЦЦГ АУЦ УАА-3′.
2. Разбиваем на кодоны и находим аминокислоты: Мет-Ала-Фен-Про-Иле. Кодон УАА означает окончание синтеза.
3. Антикодоны комплементарны кодонам и антипараллельны им. В направлении 5′→3′ они записываются так: ЦАУ, УГЦ, ААА, ЦГГ, ГАУ.

Тип 2. тРНК

Этот тип встречается в демоверсии. тРНК синтезируется на ДНК так же, как мРНК. Определённый её участок служит антикодоном.

Условие. Участок ДНК (нижняя цепь матричная):
5′-АГЦ ТТА ГАА ЦЦТ ГЦА-3′
3′-ТЦГ ААТ ЦТТ ГГА ЦГТ-5′
Определите участок тРНК и аминокислоту, которую она переносит, если третий триплет с 5′-конца соответствует антикодону.

1. Участок тРНК строим по матричной цепи: 5′-АГЦ УУА ГАА ЦЦУ ГЦА-3′.
2. Антикодон: 5′-ГАА-3′.
3. Кодон мРНК антипараллелен антикодону: 3′-ЦУУ-5′, то есть 5′-УУЦ-3′.
4. По таблице УУЦ — фенилаланин. Если прочитать сам антикодон ГАА, получится неверный ответ: глутаминовая кислота.

Тип 3. Поиск открытой рамки

Если начало рамки не задано, старт-кодон АУГ находят в иРНК при чтении от 5′-конца. После этого разбивка на тройки идёт от него, а все предыдущие нуклеотиды пропускают. Следующий стоп-кодон должен лежать в той же рамке. Сочетания УАА, УАГ и УГА, которые оказались на стыке двух кодонов, ничего не значат.

Тип 4. Мутации

Сначала надо определить, кратно ли трём число вставленных или выпавших нуклеотидов. Если нет, рамка сдвигается, и читать надо заново до конца фрагмента. Если замена точечная, проверяют по таблице: новая аминокислота, та же самая (синонимичная замена) или стоп-кодон.

16. Для олимпиад

Повторяющиеся полимеры

Логика опытов Г. Кораны позволяет определять смысл кодонов и проверять длину кодона:

• Повтор двух нуклеотидов (УЦ)_n: в любой рамке чередуются два кодона (УЦУ, ЦУЦ), и белок содержит чередование двух аминокислот (Сер, Лей).
• Повтор трёх нуклеотидов (ААГ)_n: в трёх рамках получаются три разных гомополимера — Лиз, Арг и Глу.
• Повтор четырёх нуклеотидов (УАУЦ)_n: при триплетном чтении период белка равен четырём аминокислотам — Тир-Лей-Сер-Иле — и не зависит от рамки.

Если бы длина кодона была чётной, повтор двух нуклеотидов дал бы в каждой рамке один гомополимер, а не чередование. Именно так такие опыты подтверждают нечётность и в итоге триплетность кода.

Почему в коде без запятых не больше 20 кодонов

Кодоны ААА, УУУ, ГГГ и ЦЦЦ исключены: на стыке двух одинаковых кодонов снова появляется тот же триплет. Остальные 60 триплетов распадаются на 20 групп циклических сдвигов (АУЦ, УЦА, ЦАУ). Из каждой группы можно выбрать только один кодон. Иначе последовательность из этого кодона, прочитанная со сдвигом, снова окажется осмысленной. Значит, смысловых кодонов может быть не больше 60/3 = 20 [7].

Симметрия Румера

16 клеток таблицы делятся поровну. В восьми клетках третье основание не влияет на значение: это УЦ, ЦУ, ЦЦ, ЦГ, АЦ, ГУ, ГЦ, ГГ. В восьми других клетках оно важно: УУ, УА, УГ, ЦА, АУ, АА, АГ, ГА. Ю. Б. Румер заметил, что замена У↔Г и Ц↔А переводит первую группу во вторую без единого исключения [92][93]. Проверьте сами: ГГ → УУ, ЦЦ → АА, АЦ → ЦА. Заметно и другое: все клетки с двумя основаниями Г или Ц в первых двух положениях входят в первую группу, а все клетки с двумя основаниями А или У — во вторую. Одно из возможных объяснений — прочность пар, образованных первыми двумя основаниями: чем они прочнее, тем меньше значит третье основание.

Расчёт длины открытой рамки

Если нуклеотиды равновероятны, вероятность того, что случайный кодон окажется стоп-кодоном, равна 3/64. Вероятность встретить 300 кодонов подряд без него составляет (61/64)³⁰⁰ ≈ 5,6·10⁻⁷. Для геномов с необычным составом расчёт надо менять: стоп-кодоны богаты А и У, поэтому в геномах с высоким содержанием Г и Ц открытые рамки часто длинные сами по себе, и поиск генов по этому признаку там менее надёжен.

Связь с другими темами

• Сравнение частоты синонимичных и несинонимичных замен лежит в основе методов выявления отбора.
• Коды разных групп нужно учитывать при анализе геномов и при экспрессии генов в других организмах. Ген инфузории с кодонами УАА и УАГ в обычной бактерии будет давать укороченный белок.
• Варианты кода использовать как филогенетические признаки надо с осторожностью: совместная смена значения УАГ и УАА у эукариот возникала независимо не менее 13 раз [97].

17. Задания с разбором

Задание 1

Установите соответствие между фактом и свойством кода: А) у аланина четыре кодона; Б) кодон ГЦА всегда соответствует аланину в стандартной таблице; В) замена одного нуклеотида обычно меняет только одну аминокислоту; Г) вставка одного нуклеотида искажает весь участок гена до его конца. Свойства: 1 — вырожденность; 2 — однозначность; 3 — неперекрываемость; 4 — непрерывность.

Задание 2

Белок состоит из 250 аминокислот. Сколько нуклеотидов содержит кодирующая часть мРНК вместе со стоп-кодоном? Сколько молекул тРНК участвует в синтезе одной молекулы этого белка, если считать, что на одну аминокислоту приходится одна молекула? Сколько пар нуклеотидов содержит соответствующий участок ДНК без интронов?

Задание 3

Матричная цепь ДНК: 3′-ТАЦ ГАА АТА ЦЦГ АТТ-5′. Определите иРНК и фрагмент белка.

Задание 4

Участок ДНК (нижняя цепь матричная):
5′-ЦТГ АЦТ ТГГ ЦАТ ЦАГ-3′
3′-ГАЦ ТГА АЦЦ ГТА ГТЦ-5′
Определите участок тРНК и аминокислоту, которую она переносит, если третий триплет с 5′-конца соответствует антикодону.

Задание 5

мРНК: 5′-АУГ ГАА ЦУУ ГЦА УАЦ УГА-3′. Определите белок. Как он изменится, если выпадет пятый нуклеотид? А если выпадет кодон ГАА целиком?

Задание 6

Может ли замена одного нуклеотида в кодоне АУГ быть синонимичной? Какие аминокислоты можно получить такой заменой?

Задание 7

Сколько разных последовательностей мРНК (только кодирующая часть со стоп-кодоном) может кодировать пептид Мет-Трп-Лиз-Сер? Какое свойство кода это показывает?

Задание 8

В бесклеточную систему добавили РНК с повторяющейся последовательностью (АУГ)_n. Какие кодоны получатся в трёх рамках? Какие продукты можно ожидать, если синтез начинается с любой позиции?

Задание 9

Почему в опыте Ф. Крика четыре мутации одного знака, расположенные рядом, не восстанавливают работу гена, а шесть могут восстановить? Какое число вставок компенсировало бы друг друга, если бы кодон состоял из четырёх нуклеотидов?

Задание 10

Какие кодоны по правилам Ф. Крика может читать тРНК с антикодоном: а) 5′-ГАА-3′; б) 5′-ЦАУ-3′; в) 5′-УАА-3′; г) 5′-ИГЦ-3′? Какие аминокислоты они кодируют?

Задание 11

Исследователи присоединили к лизиновой тРНК лизин, а затем химически превратили его в другую аминокислоту. Куда встанет новая аминокислота при синтезе белка? Какой вывод можно сделать?

Задание 12

мРНК: 5′-АУА УГА ААА АГА-3′. Что получится при чтении: а) по стандартному коду; б) по таблице кода митохондрий позвоночных?

Задание 13

Нуклеотиды равновероятны. Чему равна средняя длина участка между стоп-кодонами в заданной рамке? Какова вероятность, что случайный участок из 300 кодонов не содержит стоп-кодона? Сделайте вывод об открытых рамках большой длины.

Задание 14

В середине гена формиатдегидрогеназы находится УГА. Почему он не прерывает синтез? Какие компоненты нужны, чтобы включить селеноцистеин? Чем эта аминокислота отличается от гидроксипролина?

Задание 15

Частота ошибочно включённых аминокислот составляет 5·10⁻⁴ на кодон. Какова вероятность, что белок из 335 аминокислот содержит ошибку? А белок из 1000 аминокислот?

Задание 16

Среди 549 точечных замен смысловых кодонов стандартного кода 134 синонимичны, а 23 приводят к стоп-кодону. Какая доля замен изменяет аминокислоту? Почему при сравнении генов разных видов больше всего замен обнаруживают в третьих положениях кодонов?

Задание 17

Участок ДНК (нижняя цепь матричная):
5′-ГЦАТГГТТЦТАГЦАА-3′
3′-ЦГТАЦЦААГАТЦГТТ-5′
Определите иРНК и начало открытой рамки. Какой фрагмент белка кодируется? Является ли сочетание УАГ в этой иРНК стоп-кодоном?

Литература

1. Barrell B. G., Bankier A. T., Drouin J. A different genetic code in human mitochondria // Nature. 1979. Vol. 282. P. 189–194.
2. Swart E. C., Serra V., Petroni G., Nowacki M. Genetic codes with no dedicated stop codon: context-dependent translation termination // Cell. 2016. Vol. 166. P. 691–702.
3. Heaphy S. M., Mariotti M., Gladyshev V. N. et al. Novel ciliate genetic code variants including the reassignment of all three stop codons to sense codons in Condylostoma magnum // Molecular Biology and Evolution. 2016. Vol. 33. P. 2885–2889.
4. Mühlhausen S., Schmitt H. D., Pan K. T. et al. Endogenous stochastic decoding of the CUG codon by competing Ser- and Leu-tRNAs in Ascoidea asiatica // Current Biology. 2018. Vol. 28. P. 2046–2057.
5. Crick F. H. C., Barnett L., Brenner S., Watts-Tobin R. J. General nature of the genetic code for proteins // Nature. 1961. Vol. 192. P. 1227–1232.
6. Gamow G. Possible relation between deoxyribonucleic acid and protein structures // Nature. 1954. Vol. 173. P. 318.
7. Crick F. H. C., Griffith J. S., Orgel L. E. Codes without commas // PNAS. 1957. Vol. 43. P. 416–421.
8. Brenner S. On the impossibility of all overlapping triplet codes in information transfer from nucleic acids to proteins // PNAS. 1957. Vol. 43. P. 687–694.
9. Cobb M. 60 years ago, Francis Crick changed the logic of biology // PLOS Biology. 2017. Vol. 15. Art. e2003243.
10. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа, 1989. 591 с.
11. Streisinger G., Okada Y., Emrich J. et al. Frameshift mutations and the genetic code // Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. 1966. Vol. 31. P. 77–84.
12. Ginsberg J. Breaking the code // Distillations (Science History Institute). 20 April 2011.
13. Nirenberg M. W., Matthaei J. H. The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides // PNAS. 1961. Vol. 47. P. 1588–1602.
14. Lengyel P., Speyer J. F., Ochoa S. Synthetic polynucleotides and the amino acid code // PNAS. 1961. Vol. 47. P. 1936–1942.
15. Nirenberg M. Historical review: Deciphering the genetic code — a personal account // Trends in Biochemical Sciences. 2004. Vol. 29. P. 46–54.
16. Nirenberg M., Leder P. RNA codewords and protein synthesis // Science. 1964. Vol. 145. P. 1399–1407.
17. Nishimura S., Jones D. S., Khorana H. G. Studies on polynucleotides. XLVIII // Journal of Molecular Biology. 1965. Vol. 13. P. 302–324.
18. Khorana H. G., Büchi H., Ghosh H. et al. Polynucleotide synthesis and the genetic code // Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. 1966. Vol. 31. P. 39–49.
19. Holley R. W., Apgar J., Everett G. A. et al. Structure of a ribonucleic acid // Science. 1965. Vol. 147. P. 1462–1465.
20. Brenner S., Stretton A. O. W., Kaplan S. Genetic code: the «nonsense» triplets for chain termination and their suppression // Nature. 1965. Vol. 206. P. 994–998.
21. Brenner S., Barnett L., Katz E. R., Crick F. H. C. UGA: a third nonsense triplet in the genetic code // Nature. 1967. Vol. 213. P. 449–450.
22. Yanofsky C., Carlton B. C., Guest J. R. et al. On the colinearity of gene structure and protein structure // PNAS. 1964. Vol. 51. P. 266–272.
23. Sarabhai A. S., Stretton A. O. W., Brenner S., Bolle A. Co-linearity of the gene with the polypeptide chain // Nature. 1964. Vol. 201. P. 13–17.
24. King J. L., Jukes T. H. Non-Darwinian evolution // Science. 1969. Vol. 164. P. 788–798.
25. Ingram V. M. Gene mutations in human haemoglobin: the chemical difference between normal and sickle cell haemoglobin // Nature. 1957. Vol. 180. P. 326–328.
26. Barrell B. G., Air G. M., Hutchison C. A. Overlapping genes in bacteriophage φX174 // Nature. 1976. Vol. 264. P. 34–41.
27. Dintzis H. M. Assembly of the peptide chains of hemoglobin // PNAS. 1961. Vol. 47. P. 247–261.
28. Thach R. E., Cecere M. A., Sundararajan T. A., Doty P. The polarity of messenger translation in protein synthesis // PNAS. 1965. Vol. 54. P. 1167–1173.
29. Koonin E. V., Novozhilov A. S. Origin and evolution of the universal genetic code // Annual Review of Genetics. 2017. Vol. 51. P. 45–62.
30. Chapeville F., Lipmann F., von Ehrenstein G. et al. On the role of soluble ribonucleic acid in coding for amino acids // PNAS. 1962. Vol. 48. P. 1086–1092.
31. Hou Y. M., Schimmel P. A simple structural feature is a major determinant of the identity of a transfer RNA // Nature. 1988. Vol. 333. P. 140–145.
32. Jakubowski H., Goldman E. Editing of errors in selection of amino acids for protein synthesis // Microbiological Reviews. 1992. Vol. 56. P. 412–429.
33. Baldwin A. N., Berg P. Transfer ribonucleic acid-induced hydrolysis of valyladenylate bound to isoleucyl ribonucleic acid synthetase // Journal of Biological Chemistry. 1966. Vol. 241. P. 839–845.
34. Crick F. H. C. Codon–anticodon pairing: the wobble hypothesis // Journal of Molecular Biology. 1966. Vol. 19. P. 548–555.
35. Agris P. F., Vendeix F. A., Graham W. D. tRNA's wobble decoding of the genome: 40 years of modification // Journal of Molecular Biology. 2007. Vol. 366. P. 1–13.
36. Anderson S., Bankier A. T., Barrell B. G. et al. Sequence and organization of the human mitochondrial genome // Nature. 1981. Vol. 290. P. 457–465.
37. Alkatib S., Scharff L. B., Rogalski M. et al. The contributions of wobbling and superwobbling to the reading of the genetic code // PLOS Genetics. 2012. Vol. 8. Art. e1003076.
38. Drummond D. A., Wilke C. O. The evolutionary consequences of erroneous protein synthesis // Nature Reviews Genetics. 2009. Vol. 10. P. 715–724.
39. Kearse M. G., Wilusz J. E. Non-AUG translation: a new start for protein synthesis in eukaryotes // Genes & Development. 2017. Vol. 31. P. 1717–1731.
40. Jacks T., Varmus H. E. Expression of the Rous sarcoma virus pol gene by ribosomal frameshifting // Science. 1985. Vol. 230. P. 1237–1242.
41. Bhatt P. R., Scaiola A., Loughran G. et al. Structural basis of ribosomal frameshifting during translation of the SARS-CoV-2 RNA genome // Science. 2021. Vol. 372. P. 1306–1313.
42. Matsufuji S., Matsufuji T., Miyazaki Y. et al. Autoregulatory frameshifting in decoding mammalian ornithine decarboxylase antizyme // Cell. 1995. Vol. 80. P. 51–60.
43. Newby G. A., Yen J. S., Woodard K. J. et al. Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice // Nature. 2021. Vol. 595. P. 295–302.
44. Plotkin J. B., Kudla G. Synonymous but not the same: the causes and consequences of codon bias // Nature Reviews Genetics. 2011. Vol. 12. P. 32–42.
45. Lorson C. L., Hahnen E., Androphy E. J., Wirth B. A single nucleotide in the SMN gene regulates splicing and is responsible for spinal muscular atrophy // PNAS. 1999. Vol. 96. P. 6307–6311.
46. Kimchi-Sarfaty C., Oh J. M., Kim I. W. et al. A «silent» polymorphism in the MDR1 gene changes substrate specificity // Science. 2007. Vol. 315. P. 525–528.
47. Presnyak V., Alhusaini N., Chen Y. H. et al. Codon optimality is a major determinant of mRNA stability // Cell. 2015. Vol. 160. P. 1111–1124.
48. The Genetic Codes // NCBI Taxonomy. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi (дата обращения: 07.11.2026).
49. Horowitz S., Gorovsky M. A. An unusual genetic code in nuclear genes of Tetrahymena // PNAS. 1985. Vol. 82. P. 2452–2455.
50. Yamao F., Muto A., Kawauchi Y. et al. UGA is read as tryptophan in Mycoplasma capricolum // PNAS. 1985. Vol. 82. P. 2306–2309.
51. Salman A., Biziaev N., Shuvalova E., Alkalaeva E. mRNA context and translation factors determine decoding in alternative nuclear genetic codes // BioEssays. 2024. Vol. 46. Art. e2400058.
52. Temperley R., Richter R., Dennerlein S. et al. Hungry codons promote frameshifting in human mitochondrial ribosomes // Science. 2010. Vol. 327. P. 301.
53. Santos M. A., Tuite M. F. The CUG codon is decoded in vivo as serine and not leucine in Candida albicans // Nucleic Acids Research. 1995. Vol. 23. P. 1481–1486.
54. Gomes A. C., Miranda I., Silva R. M. et al. A genetic code alteration generates a proteome of high diversity in the human pathogen Candida albicans // Genome Biology. 2007. Vol. 8. Art. R206.
55. Záhonová K., Kostygov A. Y., Ševčíková T. et al. An unprecedented non-canonical nuclear genetic code with all three termination codons reassigned as sense codons // Current Biology. 2016. Vol. 26. P. 2364–2369.
56. Lobanov A. V., Heaphy S. M., Turanov A. A. et al. Position-dependent termination and widespread obligatory frameshifting in Euplotes translation // Nature Structural & Molecular Biology. 2017. Vol. 24. P. 61–68.
57. Chambers I., Frampton J., Goldfarb P. et al. The structure of the mouse glutathione peroxidase gene: the selenocysteine in the active site is encoded by the «termination» codon, TGA // The EMBO Journal. 1986. Vol. 5. P. 1221–1227.
58. Zinoni F., Birkmann A., Stadtman T. C., Böck A. Nucleotide sequence and expression of the selenocysteine-containing polypeptide of formate dehydrogenase from Escherichia coli // PNAS. 1986. Vol. 83. P. 4650–4654.
59. Leinfelder W., Zehelein E., Mandrand-Berthelot M. A., Böck A. Gene for a novel tRNA species that accepts L-serine and cotranslationally inserts selenocysteine // Nature. 1988. Vol. 331. P. 723–725.
60. Zhang Y., Wang S., Li H., Chen X. Recent advances in exploring the composition and evolution of the prokaryotic selenoproteome // Applied and Environmental Microbiology. 2026. Vol. 92. Art. e0055626.
61. Kryukov G. V., Castellano S., Novoselov S. V. et al. Characterization of mammalian selenoproteomes // Science. 2003. Vol. 300. P. 1439–1443.
62. Srinivasan G., James C. M., Krzycki J. A. Pyrrolysine encoded by UAG in Archaea: charging of a UAG-decoding specialized tRNA // Science. 2002. Vol. 296. P. 1459–1462.
63. Hao B., Gong W., Ferguson T. K. et al. A new UAG-encoded residue in the structure of a methanogen methyltransferase // Science. 2002. Vol. 296. P. 1462–1466.
64. Ivanova N. N., Schwientek P., Tripp H. J. et al. Stop codon reassignments in the wild // Science. 2014. Vol. 344. P. 909–913.
65. Shulgina Y., Eddy S. R. A computational screen for alternative genetic codes in over 250,000 genomes // eLife. 2021. Vol. 10. Art. e71402.
66. Mühlhausen S., Findeisen P., Plessmann U. et al. A novel nuclear genetic code alteration in yeasts and the evolution of codon reassignment in eukaryotes // Genome Research. 2016. Vol. 26. P. 945–955.
67. Knight R. D., Freeland S. J., Landweber L. F. Rewiring the keyboard: evolvability of the genetic code // Nature Reviews Genetics. 2001. Vol. 2. P. 49–58.
68. Crick F. H. C. The origin of the genetic code // Journal of Molecular Biology. 1968. Vol. 38. P. 367–379.
69. Woese C. R. On the evolution of the genetic code // PNAS. 1965. Vol. 54. P. 1546–1552.
70. Vetsigian K., Woese C., Goldenfeld N. Collective evolution and the genetic code // PNAS. 2006. Vol. 103. P. 10696–10701.
71. Haig D., Hurst L. D. A quantitative measure of error minimization in the genetic code // Journal of Molecular Evolution. 1991. Vol. 33. P. 412–417.
72. Freeland S. J., Hurst L. D. The genetic code is one in a million // Journal of Molecular Evolution. 1998. Vol. 47. P. 238–248.
73. Di Giulio M. A non-neutral origin for error minimization in the origin of the genetic code // Journal of Molecular Evolution. 2018. Vol. 86. P. 593–597.
74. Massey S. E. Genetic code error minimization as a non-adaptive but beneficial trait // Journal of Molecular Evolution. 2019. Vol. 87. P. 4–6.
75. Wong J. T. A co-evolution theory of the genetic code // PNAS. 1975. Vol. 72. P. 1909–1912.
76. Yarus M., Widmann J. J., Knight R. RNA–amino acid binding: a stereochemical era for the genetic code // Journal of Molecular Evolution. 2009. Vol. 69. P. 406–429.
77. Wang L., Brock A., Herberich B., Schultz P. G. Expanding the genetic code of Escherichia coli // Science. 2001. Vol. 292. P. 498–500.
78. Dunkelmann D. L., Chin J. W. Engineering pyrrolysine systems for genetic code expansion and reprogramming // Chemical Reviews. 2024. Vol. 124. P. 11008–11062.
79. Lajoie M. J., Rovner A. J., Goodman D. B. et al. Genomically recoded organisms expand biological functions // Science. 2013. Vol. 342. P. 357–360.
80. Fredens J., Wang K., de la Torre D. et al. Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome // Nature. 2019. Vol. 569. P. 514–518.
81. Robertson W. E., Funke L. F. H., de la Torre D. et al. Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis // Science. 2021. Vol. 372. P. 1057–1062.
82. Robertson W. E., Rehm F. B. H., Spinck M. et al. Escherichia coli with a 57-codon genetic code // Science. 2025. Vol. 390, no. 6771. DOI: 10.1126/science.ady4368.
83. Ostrov N., Landon M., Guell M. et al. Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome // Science. 2016. Vol. 353. P. 819–822.
84. Neumann H., Wang K., Davis L. et al. Encoding multiple unnatural amino acids via evolution of a quadruplet-decoding ribosome // Nature. 2010. Vol. 464. P. 441–444.
85. DeBenedictis E. A., Carver G. D., Chung C. Z. et al. Multiplex suppression of four quadruplet codons via tRNA directed evolution // Nature Communications. 2021. Vol. 12. Art. 5706.
86. Piccirilli J. A., Krauch T., Moroney S. E., Benner S. A. Enzymatic incorporation of a new base pair into DNA and RNA extends the genetic alphabet // Nature. 1990. Vol. 343. P. 33–37.
87. Malyshev D. A., Dhami K., Lavergne T. et al. A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet // Nature. 2014. Vol. 509. P. 385–388.
88. Zhang Y., Ptacin J. L., Fischer E. C. et al. A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information // Nature. 2017. Vol. 551. P. 644–647.
89. Hoshika S., Leal N. A., Kim M. J. et al. Hachimoji DNA and RNA: a genetic system with eight building blocks // Science. 2019. Vol. 363. P. 884–887.
90. Szathmáry E. Why are there four letters in the genetic alphabet? // Nature Reviews Genetics. 2003. Vol. 4. P. 995–1001.
91. Edgar B. The genome of bacteriophage T4: an archeological dig // Genetics. 2004. Vol. 168. P. 575–582.
92. Fimmel E., Strüngmann L. Yury Borisovich Rumer and his «biological papers» on the genetic code // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2016. Vol. 374. Art. 20150228.
93. Gonzalez D. L., Giannerini S., Rosa R. Rumer's transformation: a symmetry puzzle standing for half a century // BioSystems. 2020. Vol. 187. Art. 104036.
94. Campbell J. H., O'Donoghue P., Campbell A. G. et al. UGA is an additional glycine codon in uncultured SR1 bacteria from the human microbiota // PNAS. 2013. Vol. 110. P. 5540–5545.
95. Кодификатор проверяемых требований и элементов содержания. Единый государственный экзамен 2027 года. Биология. М.: ФИПИ, 2026.
96. Демонстрационный вариант контрольных измерительных материалов ЕГЭ 2027 года. Биология. М.: ФИПИ, 2026.
97. Pánek T., Žihala D., Sokol M. et al. Nuclear genetic codes with a different meaning of the UAG and the UAA codon // BMC Biology. 2017. Vol. 15. Art. 8.