Задача 4.
Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5' концу одной цепи соответствует 3' конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5' конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу.
Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Кодирующая область гена, включающая старт-кодон и стоп-кодон, называется открытой рамкой считывания. Старт-кодон соответствует триплету, кодирующему аминокислоту мет. Фрагмент бактериального гена, содержащий полную открытую рамку считывания, имеет следующую последовательность нуклеотидов:
5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3'
3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'
Определите транскрибируемую цепь ДНК. Ответ поясните. Запишите открытую рамку считывания на иРНК и последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.
Решение:
1. Определение транскрибируемой цепи ДНК.
Даны две цепи ДНК:
Цепь 1: 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3'
Цепь 2: 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'
Для того чтобы определить транскрибируемую цепь, нужно найти старт-кодон (АУГ) на иРНК. Синтез иРНК происходит на матрице ДНК в направлении от 3' к 5' концу, а сама иРНК синтезируется в направлении от 5' к 3' концу. Рибосома движется по иРНК также в направлении от 5' к 3' концу.
Рассмотрим возможные иРНК, которые могут быть синтезированы с каждой цепи ДНК:
Вариант 1: Если транскрибируемая цепь - 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3'
Тогда иРНК будет синтезироваться с этой цепи как с матрицы, но в обратном направлении (от 3' к 5' на ДНК, что соответствует 5' к 3' на иРНК). Для этого нужно сначала перевернуть цепь ДНК, чтобы она была в направлении 3' к 5', а затем синтезировать комплементарную иРНК.
Перевернутая цепь ДНК: 3'-АЦАТГААТАГЦАТАЦЦАГТЦЦАГТАГ-5'
иРНК: 5'-УГУАЦУУАУЦГУАУГГУЦАГГУЦАУЦ-3'
Ищем старт-кодон АУГ. В этой иРНК нет старт-кодона АУГ.
Вариант 2: Если транскрибируемая цепь - 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'
иРНК будет синтезироваться с этой цепи в направлении от 5' к 3'. Для этого нужно найти комплементарную последовательность, заменив Т на У.
иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'
Теперь ищем старт-кодон АУГ в этой иРНК, двигаясь от 5' конца:
5'-ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУА АГУ АЦА-3'
Мы видим старт-кодон АУГ в позиции 7-9 (если считать с 5' конца).
Вывод: Транскрибируемой цепью ДНК является 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5', так как только с неё может быть синтезирована иРНК, содержащая старт-кодон АУГ в правильном направлении для считывания рибосомой.
2. Запись открытой рамки считывания на иРНК.
иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'
Начинаем считывание со старт-кодона АУГ:
5'-ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУА АГУ АЦА-3'
Открытая рамка считывания начинается с первого АУГ и заканчивается стоп-кодоном (УАА, УАГ, УГА).
Кодоны: ГАУ, ГАЦ, ГГА, ЦУЦ, ЦАУ, АЦГ, АУА, АГУ, АЦА
Проверим, есть ли стоп-кодон. В данной последовательности стоп-кодона нет. Однако, в условии сказано, что фрагмент содержит полную открытую рамку считывания, включающую старт-кодон и стоп-кодон. Возможно, стоп-кодон находится за пределами данного фрагмента или я ошибся в определении старт-кодона.
Давайте перепроверим. Старт-кодон АУГ. иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'
Разбиваем на триплеты, начиная с 5' конца:
ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУА АГУ АЦА
Если старт-кодон АУГ, то он находится в позиции 7-9. Тогда открытая рамка считывания начинается с АУГ:
5'-АУА АГУ АЦА-3' (это если АУГ - это АУГ в середине)
Давайте внимательно посмотрим на последовательность ДНК и иРНК еще раз.
ДНК (транскрибируемая): 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'
иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'
Ищем АУГ в иРНК:
5'-Г А У Г А Ц Г Г А Ц У Ц Ц А У А Ц Г А У А А Г У А Ц А-3'
Первый АУГ находится в позиции 7-9. Тогда открытая рамка считывания начинается с этого АУГ:
5'-АУГ АУА АГУ АЦА-3'
Это очень короткая рамка. Давайте посмотрим, может быть, есть другой АУГ или стоп-кодон, который поможет определить рамку.
Перечитаем условие: "Фрагмент бактериального гена, содержащий полную открытую рамку считывания, имеет следующую последовательность нуклеотидов". Это означает, что старт-кодон и стоп-кодон должны быть внутри данного фрагмента.
Давайте попробуем найти стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА) в иРНК:
иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'
Разбиваем на триплеты, начиная с 5' конца:
ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУА АГУ АЦА
В этой рамке нет стоп-кодонов.
Возможно, я неправильно определил транскрибируемую цепь или нужно считывать в другой рамке.
Давайте еще раз проверим транскрибируемую цепь. Синтез иРНК идет с 3' конца ДНК к 5' концу ДНК, а иРНК синтезируется с 5' конца к 3' концу. Рибосома движется по иРНК от 5' к 3'.
Если транскрибируемая цепь 5'-ГАТГАЦГГАЦТЦЦАТАЦГАТААГТАЦА-3', то матрица для синтеза иРНК будет 3'-АЦАТГААТАГЦАТАЦЦАГТЦЦАГТАГ-5'. иРНК: 5'-УГУАЦУУАУЦГУАУГГУЦАГГУЦАУЦ-3' Ищем АУГ: 5'-УГУ АЦУ УАУ ЦГУ АУГ ГУЦ АГГ УЦА УЦ-3' Здесь есть АУГ. Если это старт-кодон, то рамка считывания: АУГ ГУЦ АГГ УЦА УЦ. Ищем стоп-кодоны (УАА, УАГ, УГА). Нет.
Давайте вернемся к первой иРНК, которая была получена с цепи 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'. иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'
Попробуем сдвинуть рамку считывания. Рамка 1 (начиная с 1-го нуклеотида): ГАУ ГАЦ ГГА ЦУЦ ЦАУ АЦГ АУА АГУ АЦА Рамка 2 (начиная со 2-го нуклеотида): АУГ АЦГ ГАЦ УЦЦ АУА ЦГА УАА ГУА ЦА (Здесь есть АУГ и УАА!)
Рамка 3 (начиная с 3-го нуклеотида): УГА ЦГГ АЦУ ЦЦА УАЦ ГАУ ААГ УАЦ А
Итак, если мы используем Рамку 2, то у нас есть:
Старт-кодон: АУГ (начинается со 2-го нуклеотида иРНК)
Последовательность кодонов: АУГ АЦГ ГАЦ УЦЦ АУА ЦГА УАА
Стоп-кодон: УАА
Это соответствует условию "полная открытая рамка считывания, включающая старт-кодон и стоп-кодон".
Значит, транскрибируемая цепь ДНК - это 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'.
Пояснение: Синтез иРНК происходит на матричной цепи ДНК в направлении от 3' к 5' концу, при этом сама иРНК синтезируется в направлении от 5' к 3' концу. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу. Только при использовании цепи 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5' в качестве транскрибируемой матрицы, иРНК 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3' содержит старт-кодон АУГ и стоп-кодон УАА в одной рамке считывания (второй рамке).
3. Запись открытой рамки считывания на иРНК.
иРНК: 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3'
Открытая рамка считывания (начиная со 2-го нуклеотида):
5'-АУГ АЦГ ГАЦ УЦЦ АУА ЦГА УАА-3'
4. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Используем таблицу генетического кода:
- АУГ → Мет (Метионин)
- АЦГ → Тре (Треонин)
- ГАЦ → Асп (Аспарагиновая кислота)
- УЦЦ → Сер (Серин)
- АУА → Иле (Изолейцин)
- ЦГА → Арг (Аргинин)
- УАА → Стоп (Терминатор)
Последовательность аминокислот:
Мет-Тре-Асп-Сер-Иле-Арг
Окончательный ответ:
1. Транскрибируемая цепь ДНК: 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5'
Пояснение: Синтез иРНК происходит на матричной цепи ДНК в направлении от 3' к 5' концу, при этом сама иРНК синтезируется в направлении от 5' к 3' концу. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5' к 3' концу. Только при использовании цепи 3'-ЦТАЦТГЦЦТГАГГТАТГЦТАТТЦАТГТ-5' в качестве транскрибируемой матрицы, иРНК 5'-ГАУГАЦГГАЦУЦЦАУАЦГАУААГУАЦА-3' содержит старт-кодон АУГ и стоп-кодон УАА в одной рамке считывания (второй рамке).
2. Открытая рамка считывания на иРНК:
5'-АУГ АЦГ ГАЦ УЦЦ АУА ЦГА УАА-3'
3. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи:
Мет-Тре-Асп-Сер-Иле-Арг