БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 3

Часть IV ИНФОРМАЦИЯ

ГЛАВА 29. ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ ХРОМОСОМЫ И ВЫРАЖЕНИЕ ГЕНОВ У ЭУКАРИОТ

29.15. Большинство уникальных генов перемежается повторяющимися последовательностями

Примерно 70% ДНК самых разнообразных эукариот представляет собой уникальные последовательности. Как расположены эти уникальные гены относительно повторяющихся последовательностей? Анализ эукариотических хромосом различными методами показал, что уникальные последовательности обычно чередуются с умеренно повторяющимися последовательностями, длина которых в типичном случае составляет 300 пар оснований. Существует несколько тысяч различных умеренно повторяющихся последовательностей. Они повторяются в геноме несколько сот раз и в совокупности составляют 20% ДНК. Функция рассеянных, умеренно повторяющихся последовательностей ДНК неизвестна. Возможно, они служат участками связывания специфических регуляторных макромолекул, которые могут контролировать транскрипцию соседних уникальных структурных генов.

29.16 Почти все гены высших эукариот, кодирующие белки, имеют разорванное строение

Существование у эукариот повторяющихся генов и их чередование с уникальными генами не имеют никаких аналогий у прокариот. Еще одно удивительное отличие в организации генома - присутствие у высших эукариот вставочных последовательностей практически во всех генах, кодирующих белки. Как уже обсуждалось (разд. 26.12), эти вставочные последовательности (интроны) транскрибируются вместе с кодирующими последовательностями (экзонами), а затем удаляются в процессе образования зрелой мРНК. Число интронов в изученных до сих пор разорванных генах колеблется от 2 до 17 (табл. 29.5 и рис. 29.27)¹. Некоторые интроны имеют большую длину. Например, ген β-глобина мыши содержит интрон длиной 550 пар оснований, т.е. он длиннее, чем его экзоны. Два фрагмента иммуноглобулинового гена разделены еще более длинным интроном - длиной 1250 пар оснований. В некоторых генах общая длина интронов превышает длину экзонов. Так, ген овальбумина содержит около 7700 пар оснований, а его мРНК имеет длину всего 1859 нуклеотидов. Как правило, вставочные последовательности разорванных генов длиннее, чем экспрессирующиеся последовательности. Интересно отметить, что эволюционные изменения в последовательностях интронов происходят быстрее, чем в экзонах. Последовательности оснований меньшего интрона генов β-глобина мыши и кролика совершенно различны. Однако по длине они близки, а их положение в гене идентично. Еще более существенно, что последовательности на стыке интронов и экзонов, по которым происходит сплайсинг (сращивание), консервативны.

¹ Ген миозина содержит свыше 50 интронов! — Прим. перев.

Рис. 29.27. Карта гена кональбумина. Вставочные последовательности (интроны), которые транскрибируются, но не входят в состав зрелой мРНК, показаны желтым цветом.

Таблица 29.5. Некоторые эукариотические гены, имеющие разорванное строение

Были обнаружены и разорванные гены, кодирующие РНК. Например, один из генов транспортных РНК дрожжей содержит интрон длиной 14 пар оснований рядом с антикодоновой петлей зрелой тРНК. Митохондриальный ген, кодирующий рибосомную РНК, также имеет разорванное строение. В то же время многие рРНК и тРНК непрерывны. Гены гистонов морского ежа и плодовой мушки, по-видимому, также не содержат вставочных последовательностей. До настоящего времени такие «разорванные» структурные гены были обнаружены только у птиц и млекопитающих. Интересно выяснить, много ли разорванных генов у низших эукариот¹.

¹ В настоящее время вырисовывается следующая тенденция: чем выше эволюционное положение организма, тем, как правило, больше интронов содержат его гены и тем они длиннее. Прим. перев.

Открытие разорванных генов было полной неожиданностью и повлекло за собой возникновение ряда увлекательных проблем. Может быть, интроны отражают образование в эволюции новых белков из фрагментов старых? Участвуют ли интроны в регуляции выражения генов? Ясно, что появилась новая важная область исследований. Быстро накапливаются данные, касающиеся существенного вопроса - вырезания вставочных последовательностей из первичного транскрипта. Вскоре мы рассмотрим эти данные.

29.17. РНК в эукариотических клетках синтезируется тремя различными РНК-полимеразами

Перейдем теперь к транскрипции. В эукариотических клетках существует три вида РНК-полимераз, синтезирующих РНК. Они различаются по специфичности к матрице, локализации и чувствительности к ингибиторам. Полимераза типа I локализована в ядрышках, где она транскрибирует тандемные повторы, кодирующие рибосомные 18S-, 5,8S- и 28S-PHK. Другие молекулы РНК - 5S-рРНК и все тРНК - синтезируются другой РНК-полимеразой типа III, которая находится не в ядрышке, а в нуклеоплазме. Большие молекулы РНК-предшественники, из которых образуются мРНК, синтезируются РНК- полимеразой II, также содержащейся в нуклеоплазме. У прокариот же все виды клеточной РНК синтезируются одной и той же РНК-полимеразой. Общее свойство эукариотических РНК-полимераз заключается в том, что в их состав входят две большие и несколько маленьких субъединиц.

29.18. Грибной яд α-аманитин - мощный ингибитор РНК-полнмеразы II

Каждый год во всем мире более 100 человек погибает от отравления ядовитыми грибами, в частности Amanitia phalloides, (бледной поганкой). Один из токсинов этих

грибов - α -аманитин - циклический пептид, содержащий несколько необычных аминокислот. α-Аманитин очень прочно связывается с РНК-полимеразой II (К = 10^-8 М) и блокирует таким образом синтез предшественников мРНК. Полимераза III ингибируется при более высоких концентрациях α-аманитина (10^-6 М), а полимераза I не чувствительна к этому токсину. α-Аманитин блокирует стадию элонгации в синтезе РНК.

29.19. Специфические гены могут активироваться для транскрипции

Выражение генов у эукариот, как и у прокариот, регулируется в значительной степени на уровне транскрипции. Одно из наиболее надежных доказательств было получено при исследовании хромосом развивающихся насекомых. Гигантские политенные хромосомы из слюнных желез Drosophila содержат более тысячи молекул ДНК, не разошедшихся при репликации и лежащих бок о бок друг с другом. В каждой политенной хромосоме имеется ряд характерных полос (диски, или хромомеры), видимых под световым микроскопом. При развитии личинки в куколку некоторые диски временно увеличиваются (образуют пуфы), так как ДНК в этой области переходит из конденсированного состояния в разрыхленное (рис. 29.29). Пуфы соответствуют транскрипционно активным участкам. Был обнаружен поразительный факт: пуфы могут быть индуцированы в выделенных слюнных железах in vitroэкдизоном - стероидным гормоном насекомых. Происходит увеличение и затем конденсация специфических дисков в определенной временной последовательности, и одновременно происходят изменения в популяции синтезируемых мРНК.

Таблица 29.6. Эукариотическне РНК-полимеразы

Рис. 29.28. Ядовитый гриб Amanita phalloides, содержащий α-аманитин

Рис. 29.29. Образование пуфа в политенной хромосоме на определенной стадии развития. Стрелкой показан наиболее крупный пуф в хромосоме дрозофилы