РНК как генетический материал

Приведенная выше информация подтверждает положение о том, что ДНК — единственный генетический материал (генная молекула), выполняющий как аутокаталитическую, так и гетерокаталитическую функции. Хотя такое представление довольно точно отражает суть процессов, происходящих в клетке, оно не охватывает, по крайней мере, один класс самовоспроизводящихся биологических объектов — РНК-содержащих вирусов.

Известно, что некоторые вирусы, главным образом инфицирующие растения, не содержат ДНК. Вместо нее в их частицах содержится РНК, которая отличается от ДНК по химическому составу тем, что в ней присутствует сахар — рибоза, а пиримидиновое основание тимин заменено на урацил. Кроме того, РНК не обладает структурой двойной спирали, как ДНК, а имеет одинарную цепь. Между тем именно структура двойной спирали, как у ДНК, необходима для точного воспроизведения наследственной информации по схеме Уотсона и Крика. Эти два затруднения вначале казались труднопреодолимыми.

Однако опыты, проведенные с вирусом табачной мозаики (ВТМ), четко показали, что его белки не играют генетической роли при заражении растений. Это послужило дополнительным аргументом в пользу того, что наследственным веществом вирусов служит нуклеиновая кислота, а не белковая составляющая. Подобно большинству вирусов растений, ВТМ состоит из белка и рибонуклеиновой кислоты. РНК по химической структуре близка к ДНК. Частица вируса содержит молекулу РНК, состоящую примерно из 6 400 нуклеотидов, заключенную в белковую оболочку. Белковая оболочка включает около 2 130 одинаковых субъединиц, каждая из которых представляет собой полипептидную цепь из 158 аминокислот, расположенных в определенной последовательности.

Генетичсская роль РНК у вируса табачной мозаики была доказана в экспериментах Г. Френкель-Конрата, А. Гиреры, Г. Шрамма и др. Были разработаны химические методы, позволяющие разделить РНК и белок вируса (рис. 5.10). Обычно очищенный препарат РНК ВТМ сохраняет не более 0,1% инфицирующей активности препарата интактного (неповрежденного) вируса. Однако при надлежащих условиях вирус можно реконструировать в лабораторных условиях из смеси очищенного препарата РНК и белка. Субъединицы белка соединяются друг с другом и с РНК, образуя интактный вирус с нормальной инфекционной способностью.

Рис. 5.10. Разделение частиц вируса табачной мозаики на РНК и белковые субъединицы.

Известно множество разновидностей ВТМ, отличающихся по аминокислотному составу белков, кругу растений-хозяев и вирулентности на различных растениях. Например, в белковой оболочке ВТМ стандартного штамма отсутствуют гистидин и метионин, тогда как в аналогичном образовании вируса штамма HR эти аминокислоты присутствуют.

Были проведены эксперименты по реконструкции гибридных вирусов из очищенного белка HR и очищенной РНК стандартного штамма. Такие вирусы обладали нормальной инфекционной способностью. Когда же этими вирусами заражали растения, состав белковой оболочки потомства гибридных вирусов и штамма, из которого была взяга РНК, оказался идентичным. Таким образом, состав белковых оболочек потомства этих вирусов определялся исключительно РНК. Оказалось, что лишь PI IK обладает функциями, необходимыми для передачи по наследству этого признака. Результаты проведенных исследований показали, что единственная молекула РНК интактного ВТМ способна заразить растительную клетку и обеспечить формирование полноценных часгиц этого вируса.

Таким образом, уже первые исследования по идентификации наследственных структур в клетках разных организмов показали, что именно нуклеиновые кислоты являются носителями наследственности во всех организмах. Во всех прокариотических и эукариотических клетках генетические функции выполняют два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.