Організація геному еукаріотів

Еукаріоти. Геном 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 Е. coli і Ст subtilis становить понад 1 мм, то в такій хромосомі можуть розміститися близько 3 тисяч генів. Приблизно така кількість генів була експериментально визначена у бактерій за кількістю типів іРНК. 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 50 тисяч генів (мається на увазі лише сумарна довжина ділянок, що кодують, ДНК – екзонів). У той же час розмір геному людини 3×109 (три мільярди) п.н. Це означає, що кодуюча частина його геному складає всього 15...20% 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 термінів генотип і геном. Під генотипом слід розуміти сукупність генів, що мають фенотипний прояв, тоді як поняття геному означає кількість ДНК, що знаходиться в гаплоїдному наборі хромосом даного виду.

Нуклеотидні послідовності в геномі еукаріотів

Наприкінці 60-х років роботамиамериканських вчених Р. Бріттена, Е. Девідсона та інших було відкрито фундаментальну особливість молекулярної структури геному еукаріотів – нуклеотидні послідовності різного ступеня повторюваності. Це відкриття було зроблено за допомогою молекулярно-біологічного методу вивчення кінетики ренатурації денатурованої ДНК. Розрізняють такі фракції у геномі еукаріотів.

1. Унікальні, тобто. послідовності, подані в одному екземплярі або небагатьма копіями. Як правило, це цистрони – структурні гени, що кодують білки.

2. Низькочастотні повтори – послідовності, що повторюються десятки разів.

3. Проміжні, або середньочастотні, повтори – послідовності, що повторюються сотні та тисячі разів. До них відносяться гени рРНК (у людини 200 на гаплоїдний набір, у миші – 100, у кішки – 1000, у риб та квіткових рослин – тисячі), тРНК, гени рибосомних білків та білків-гістонів.

4. Високочастотні повтори, кількість яких сягає 10 мільйонів (на геном). Це короткі (

10 пн) некодуючі послідовності, що входять до складу прицентромірного гетерохроматину.

Гетерогенність ДНК еукаріотів за нуклеотидним складом

У еукаріотів описані деякі особливості структури ДНК, обумовлені специфікою нуклеотидного складу окремих послідовностей. Так, зустрічаються розташовані в одному ланцюгу блоки нуклеотидів, що складаються з кількох десятків пуринів. Тоді комплементарна частина іншого ланцюга ДНК буде представлена піримідинами. Подібні послідовності названі поліпуриновими (поліпіримідиновими) блоками.

Інший вид гетерогенності пов'язаний з нерівномірністю вмісту за довжиною ДНК пар аденін-тимін (АТ-пари) і гуанін-цитозин (ГЦ-пари). Так, у геномі дрозофіли періодично зустрічаються довжиною послідовності.приблизно в 100 п. н., що на 85 % складаються з АТ-пар. Оскільки аденін пов'язаний з тиміном двома водневими зв'язками, а гуанін з цитозином — трьома, дестабілізуючі ДНК-дії легше ініціюватимуть розплетення дуплексів ДНК з утворенням ділянок часткової денатурації в АТ-багатих областях. Тому останні розглядаються як сайти ініціації елементарних генетичних процесів: реплікації, транскрипції та рекомбінації.

На закінчення відзначимо, що перелічені вище особливості молекулярної структури ДНК еукаріотів не були передбачені ні класичною генетикою (за винятком, мабуть, властивостей гетерохроматину), ні моделлю подвійної спіралі Уотсона та Крику. Вони були розкриті щодо структури геномів різних еукаріотичних організмів фізико-хімічними методами. Функції більшості повторюваних та унікальних послідовностей поки що не визначені. Однак цілком імовірно, що сама по собі молекулярна структура ДНК еукаріотів служить дзеркалом генетичної регуляції та еволюції вищих тварин і рослин.

Хроматин та компактизація хромосом

Основою генетичного апарату еукаріотів є лінійні хромосоми. В основі хромосоми лежить лінійна двоспіральна правозакручена молекула ДНК, пов'язана із специфічними білками-гістонами. Відомо 5 типів гістонів: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. У ядрах еритроцитів птахів Н1 частково заміщається Н5. У дріжджів відсутня Н1, а в деяких видів хламідомонад гістон взагалі не виявлено. Гістони відсутні також у мезокаріотів (одноклітинних організмів - динофлагеллят, ночівлі), в сперматозоїдах деяких риб. Відсутність гістонів у випадках розглядається як вторинне явище. Гістони Н2 – Н4 еволюційно стійкі: зі 102 амінокислот Н4 спостерігаються відмінності лише за 1-2 амінокислотами увищих рослин, риб та ссавців. Гістон Н1 дуже варіабельний, і навіть у тканинах одного організму зустрічається 3 - 6 варіантів цього білка.

Гістони Н2 - Н4 утворюють білкове ядро з 8 поліпептидів (кожен гістон повторюється 2 рази). Навколо цього ядра покладено ділянку ДНК довжиною 140 пн, що утворює 1,75 витка по периферії. Така структура називається нуклеосомою. Окремі нуклеосоми – це дископодібні частинки діаметром близько 10 нм. Закручування ДНК навколо нуклеосоми зменшує її довжину сім разів. Ділянки ДНК між нуклеосомами довжиною 15...10 пн називаються лінкерами (зв'язками). Структура лінкерів стабілізується гістоном Н1.

Послідовність нуклеосом утворює або ще одну спіраль діаметром 25-20 нм (соленоїд), або послідовність нуклеосомних угруповань - нуклеомерів. Ці вищі структури утворюють петлі чи домени. Конденсація ДНК у структурі соленоїда додатково (до нуклеосомного рівня) зменшує її довжину у шість разів. В інтерфазних хромосомах шляхом ще одного циклу конденсації соленоїди утворюють порожнисті трубочки діаметром 200 нм, що зменшує довжину ДНК ще 18 разів.

Описана структура хромосом у еукаріотів забезпечує їх стійкість і недоступність основної маси ДНК для хімічних мутагенів. При транскрипції, тобто. синтезі РНК і реплікації відбувається деспіралізація хромосом, що забезпечує можливість контакту певних ділянок ДНК з ДНК-полімеразою або РНК-полімеразою.

Певні ділянки хромосом у ядрі тісно пов'язані з ядерною мембраною. Завжди пов'язані з мембраною кінцеві (тіломірні) ділянки та деякі інші (інтерстиціальні) ділянки. Такі зв'язки забезпечують певну структуру ядра та захищають хромосоми від руйнування ферментами-нуклеазами. Ю. С. Ченцовим та його співробітниками відкрита спеціальна частка,забезпечує зв'язок хроматину з ядерною мембраною, яку запропоновано називати анкоросомою (якорною частинкою).

У метафазі внаслідок подальшої конденсації виникає велика утворена дезоксинуклеопротеїдом спіраль діаметром близько 600 нм. В результаті строго впорядкованої ієрархії спіралей, в основі якої лежить нуклеосома, у мітозі та мейозі хромосоми еукаріотів здійснюють цикл компактизації – декомпактизації. Наслідок цього циклу - укорочення метафазних хромосом порівняно з розмірами укладеної в них молекули ДНК у 103...104 разів. Очевидно, цикл компактизации—декомпактизации регулюється білками хроматину негістонового типу. Можливо, деякі з них виконують і структурну роль, утворюючи елементи каркасу метафазних хромосом.

Особливості реплікації еукаріотичних хромосом

Як і у прокаріотів, реплікація ДНК у клітинах еукаріотичних організмів здійснюється напівконсервативно, про що свідчить розподіл Н-тимідинової мітки за сестринськими хроматидами у другому та наступних мітозах після інкубації клітин з радіоактивними попередниками. З'ясовано, що реплікація у еукаріотів носить двонаправлений характер.

Принцип регуляції реплікації ДНК еукаріотів в онтогенезі був відкритий англійським цитогенетиком Г. Келланом в 1972 р. За допомогою радіоавтографії мічених 3 Н-тимідином волокон ДНК, отриманих з клітин тварин безпосередньо на предметному склі, Келлан визначив швидкість реплікації і -фазі соматичних та ембріональних клітин.

За першим показником між цими типами клітин великих відмінностей немає. Число сайтів ініціації реплікації було максимальним у ранньому ембріогенезі, мінімальним у передмейотичній S-фазі та проміжним у соматичних клітинах. Цідані в принципі були підтверджені пізніше прямим електронно-мікроскопічним аналізом ДНК, що реплікується, з дробних яєць дрозофіли. Таким чином, суть регуляції процесу реплікації у еукаріотів полягає у зміні числа сайтів ініціації реплікації. Цей механізм дозволяє збільшити тривалість фази S (а, отже, всього мітотичного циклу) з 3,5 хв (на ранніх стадіях дроблення яєць дрозофіли) до десятків годин передмейотичної S-фазі. Упаковка ДНК та гістонів у нуклеосоми відбувається у фазі S, оскільки гістони синтезуються синхронно з реплікацією ДНК.

Перемикання генів у еукаріотів

У еукаріотів оперони відсутні, і система управління активністю генів складніша. По-перше, у еукаріотів включаються не три гени (або трохи більше), а цілі батареї генів. По-друге, регуляція активності генів відбувається не за рахунок зв'язування оператора з білком-репресором, а за рахунок спіралізації та деспіралізації хромосом. По-третє, у еукаріотів регуляція роботи генів відбувається не за принципом «так-ні», а за принципом «більше-менше».

У прокаріотів регуляторні ділянки становлять приблизно 5 % від всієї ДНК, а у еукаріотів довжина регуляторних ділянок порівнянна із загальною довжиною структурних генів. Регуляторні білки у еукаріотів впливають не тільки на роботу генів в одній хромосомі, а й на активність функціонально подібних генів у різних хромосомах. Наприклад, a- та b-ланцюги гемоглобіну кодуються генами, розташованими в різних хромосомах. Однак кількість a-ланцюгів дорівнює кількості b-ланцюгів. Промотори та оператори у еукаріотів можуть бути віддалені від структурних генів на значну відстань.

У багатоклітинних еукаріотів у ході онтогенезу з вихідної клітини розвивається цілісний організм. На різних етапах онтогенезу у різних тканинах з різною інтенсивністюекспресуються різні гени. Активність генів у еукаріотів регулюється різноманітними ендо- та екзогенними факторами, у тому числі, і гормонами. Здатність вихідної клітини реалізовувати генетичну інформацію в ході клітинних поділів та диференціювання клітин називається тотипотентністю. У рослин тотипотентні та запліднені яйцеклітини, і майже всі соматичні клітини. У тварин тотипотентна лише зигота (а також деякі клітини нижчих безхребетних). Тому методи клонування тварин ґрунтуються на пересадці ядер із соматичних клітин в енуклейовані яйцеклітини (тобто яйцеклітини з убитим ядром).

Виключення генів може бути оборотним і необоротним. У тварин існує два типи дроблення зиготи: недетерміноване (диференціювання клітин на пізніх стадіях онтогенезу) і детерміноване (диференціювання клітин на ранніх етапах дроблення зиготи). У першому випадку можна пересадити ядро з клітин кишкового епітелію пуголовка в яйцеклітину із вбитим за допомогою ультрафіолетового опромінення ядром. З такої синтезованої клітини розвинеться нормальна жаба. У другому випадку клітини передньої частини бластодерми дрозофіли здатні формувати лише структури передньої частини тіла імаго, а клітини задньої частини бластодерми – лише структури задньої частини тіла.