Молекулярна структура генетичного матеріалу еукаріотів Кількісні особливості геному еукаріотів
Головна кількісна особливість генетичного матеріалу еукаріотів - наявність надлишкової ДНК. Цей факт легко виявляється при аналізі ставлення числа генів до кількості ДНК у геномі бактерій та ссавців. Якщо середній розмір гена бактерій 1500 пар нуклеотидів (п.н.), а довжина кільцевої молекули ДНК хромосоми E.coli та B. subtilis становить близько 1,1 мкм, то в такій хромосомі можуть розміститися близько 3000 генів. Приблизно таке число генів було експериментально визначено у бактерій за кількістю типів иРНК.Якщо це число помножити на середній розмір гена, то вийде, що близько 95% геному бактерій складається з послідовностей, що кодують (генних). Інші 5%, мабуть, зайняті регуляторними елементами. Інша картина спостерігається у еукаріотів. Наприклад, у людини налічують приблизно 5х10 4 генів (мається на увазі тільки сумарна довжина кодуючих ділянок ДНК -екзонів). У той же час, розмір геному людини 3х109 п.н. Це означає, що кодуюча частина його геному становить лише 15-20% від тотальної ДНК. Існує значна кількість видів, геном яких у десятки разів більший за геному людини, наприклад деякі риби, хвостаті амфібії, лілейні. Надмірна ДНК характерна для всіх еукаріотів. У цьому необхідно підкреслити неоднозначність термінівгенотип і геном. Під генотипом слід розуміти сукупність генів, що мають фенотипове прояв, тоді як поняття геному позначають кількості ДНК, що знаходиться в гаплоїдному наборі хромосом даного виду.
Нуклеотидні послідовності в геномі еукаріотів
Наприкінці 60-х років роботами американських учених Р. Бріттена, Е. Девідсона та інших було відкрито фундаментальну особливість молекулярної структури геному еукаріотів - нуклеотидні послідовності різноїступеня повторюваності. Це відкриття було зроблено за допомогою молекулярно-біологічного методу вивчення кінетики ренатурації денатурованої ДНК. Розрізняють такі фракції в геномі еукаріотів:
Унікальні, тобто. послідовності, подані в одному екземплярі.
Проміжні або середньочастотні повтори - послідовності, що повторюються десятки та сотні разів.
Високочастотні повтори, число яких досягає 10 6 (геном).
Повтори утворюють звані сімейства, під якими розуміють сукупність послідовностей, повністю чи здебільшого гомологічних одне одному.
Нерідко через істотні відмінності в нуклеотидному складі високочастотних повторів та решти ДНК перші утворюють при центрифугуванні в градієнті щільності хлористого цезію так звані сателітні піки, які мають більшу або меншу плавучу щільність, ніж решта ДНК. Ця фракція геному представлена невеликим (10-15) числом сімейств коротких (5-12 п.н.) повторів, що утворюють протяжні блоки. Усередині блоків групи повторів окремих сімейств можуть чергуватись один з одним, так що сателітна ДНК має ніби локусну структуру. Гібридизація фракцій високочастотних послідовностей із ДНК безпосередньо на препаратах хромосом дозволила встановити, що ця фракція геному локалізована в районах конститутивного гетерохроматину, найчастіше прицентромірного або тіломерного. Ще 30-ті роки було показано, що у генетичному відношенні ці райони інертні, тобто. не містять генів. Насправді такі малі послідовності, що становлять сателітну ДНК, не можуть кодувати нічого, крім олігопептидів. Більше того, гетерохроматичні райони не транскрибуються. Таким чином, у разі високочастотних послідовностей ДНК виявляєтьсятотожність молекулярної організації та генетичних властивостей хромосомної ДНК еукаріотів. Слід зазначити, що ця фракція у більшості видів займає трохи більше 10% геному. Близькі види, наприклад миша і щур, мають різні високочастотні послідовності, у щура їх нуклеотидний склад не відрізняється від основної ДНК, тоді як геном миші містить чіткий АТ-багатий сателіт. Це означає, що високочастотна ДНК здатна до швидких змін під час видоутворення.
Інші 90% геному еукаріотів, його еухроматична частина, побудовані за принципом чергування (інтерсперсії) унікальних і повторюваних послідовностей. Умовно виділяють два основні типи інтерсперсії, що отримали назву за тими видами, у яких вони вперше були описані:
інтерсперсія типу "ксенопус" (виявлена у Xenopus laevis);
інтерсперсія типу "дрозофіла" (вперше описана у D. melanogaster).
Приблизно в 50% геному Xenopus laevis унікальні послідовності 800-1200 п.н. чергуються з такими, що повторюються, середній розмір яких 300 п.н. У решті геномів типу “ксенопус” відстань між сусідніми повторами значно перевищує 1-2 п.н. Структура геному типу "ксенопус" поширена, особливо серед тварин. Ссавці та людина також відносяться до цього типу організації геному. Особливість геному людини та інших приматів становлять високочастотні інтерсперсні повтори довжиною близько 300 п.н. У людини ці повтори містять сайт, що розрізається ферментом рестрикції Alu I. Число Alu-подібних повторів в геномі людини досягає 5х105, а за деякими даними, навіть 106.
Alu-подібні послідовності приматів являють собою часткові дуплікації (подвоєння) послідовності ВІ в геномі гризунів, вперше описаної Г. П. Георгієвим та йогоспівробітниками.
У D. melanogaster параметри інтерсперсії різко відрізняються від видів з типом геному "ксенопус": послідовності, що повторюються, довжиною 5600 п.н. чергуються з унікальними, довжина яких не менше ніж 13000 п.н. Цікаво відзначити, що у домашньої мухи геном влаштований на кшталт "ксенопус". Цей факт прямо вказує на те, що в ході еволюції можливі дуже швидкі перетворення характеру чергування послідовностей та в еухроматичній частині геному. Птахи за параметрами інтерсперсії займають проміжне положення між двома типами. Як показують результати дослідження останніх років, багато видів тварин і рослин з організації геному не можуть бути суворо віднесені ні до того, ні до іншого типу. Так, у геномах ссавців зустрічаються довгі повтори - кілька тисяч пар нуклеотидів, в геномах лілейних до 90 % ДНК може бути представлено повторюваними послідовностями. Наприклад, геном горіха не містить унікальних послідовностей, що перевищують довжину 300 п.н.
Інша особливість повторюваних послідовностей в геномах еукаріотів - інвертовані повтори, або паліндроми. У разі ренатурації вони майже миттєво формують дуплексні структури. По суті, паліндроми є частиною проміжних повторів. Однак деякі високочастотні повтори в еухроматичній частині геному, наприклад члени Alu-сімейств, можуть зустрічатися як у прямому, так і інвертованому положенні. Іноді між інвертованими повторами вклинюються інші послідовності.