Основы молекулярной биологии - В.И. Резяпкин 2009

Организация гемонов
Организация генома эукариота

Хранителем генетической информации у эукариот так же как и у прокариот, является двухцепочечная молекула ДНК. Основная часть генетической информации у них сосредоточена в клеточном ядре в составе хромосом, значительно меньшая часть представлена в составе ДНК митохондрий, хлоропластов и других пластид.

Обычно с увеличением организации эукариот увеличивается и содержание геномной ДНК. Геномная ДНК эукариот представляет собой совокупность ДНК гаплоидного набора хромосом и внехромосомной ДНК, представленные в клетке зародышевой линии. Общее содержание ДНК, приходящиеся на один гаплоидный набор, носит название величина С. Ее выражают в пг ДНК, дальтонах или в парах нуклеотидов (1 пг = 6,1 * 10¹¹ Да = 0,965*10⁹ п.н.). Значение величины С, как правило, возрастает с увеличением организации живых организмов (таблица 11.1). Однако, у некоторых родственных видов величины С могут значительно отличаться, в то время как морфология и физиология этих видов отличаются друг от друга несущественно. Например, два вида амфибий, имеющих сходное морфологическое строение, могут отличаться по содержанию ДНК в 10 раз. Столь разительные отличия в содержании ДНК связаны не с 10-кратным превышением генов у одного вида по сравнению с другим, а определяется избыточным содержанием у одного из видов некодирующих последовательностей ДНК. Более того, существует множество примеров, когда величина С более низкоорганизованных видов значительно превышает размер таковой более высокоорганизованных. Так, у сосны эта величина равно 6,8*10¹⁰ п.н., в то время как у человека ее значение в 20 раз меньше и составляет около 3,3*10⁹ п.н. Различие в величине С у эукариот между различными видами значительно больше, чем у бактерий и ее значение может отличаться приблизительно на 4-5 порядков. В то же время различие в количестве генов не столь значительно. Так число генов в геноме человека лишь на порядок больше числа генов в геноме кишечной палочки. Отсутствие прямой зависимости между величиной С и количеством генов в геноме эукариот называется парадоксом величины С и объясняется наличием в их геномах негенной ДНК. На ее долю может приходиться от 30 % до почти 100 % генома.

Каково же значение негенной ДНК? Существуют несколько гипотез объясняющих ее роль. Одной из таковой является предположение, что некодирующие последовательности генома эукариот способствуют защите генов от химических мутагенов.

Ядерная ДНК эукариот состоит из уникальных и повторяющихся последовательностей. Повторяющаяся ДНК в свою очередь может быть разделена на две фракции умеренно повторяющаяся и часто повторяющаяся ДНК:

Повторяющаяся ДНК составляет значительную часть генома, ее доля у дрожжей составляет около 20 %, у млекопитающих - до 60 %, у растений - может превышать 80 %. Размер, первичная структура и степень повторяемости такой ДНК значительно варьирует. Эти последовательности могут быть тандемно повторяющимися, либо представлены в геноме в диспергированном виде. Повторяющие единицы ДНК могут незначительно отличаться друг от друга первичной структурой.

К часто повторяющейся принадлежит ДНК, представленная в геноме более 10⁵ копий. К этой фракции относится сателлитная ДНК. Свое название она получила на основании поведения при центрифугировании в градиенте плотности хлорида цезия при анализе суммарной эукариотической ДНК. Содержание сателлитной ДНК составляет в геноме эукариот от 5 до 50 % от всей ДНК. Эта ДНК преимущественно обнаруживается в центромерных и теломерных районах хромосом, где она выполняет структурные функции. О значении и структуре теломер более подробно рассматривается в разделе «Репликация». Сателитная ДНК состоит из тандемных повторов длиной от 1 до 20 и более п.н. Благодаря простоте организации и многочисленным копиям эта ДНК обладает способностью к быстрой ренатурации. Поскольку сателитная ДНК является просто организованной, и в связи с этим не несет функцию кодирования, она, естественно, не экспрессируется с образованием белков или РНК.

В геноме эукариот различают микросателлиты, минисателлиты и макросателлиты. Микросателлиты образованы многократно повторяющимися мономерными звеньями (1-4 п.н) и имеют размер до нескольких сотен пар нуклеотидов (рис. 11.26). Они разбросаны по геному, их длина и общее количество копий коррелирует с размером генома. Количество копий микросателлитов в геноме может достигать десятков и сотен тысяч.

Рис. 11.26. Микросателлит

Минисателлиты также, как и микросателлиты, образованы многократно повторяющимся мономерным звеном, но его размер составляет 5-50 п.н. Длина минисателлитов может достигать до десятка тысяч пар нуклеотидов. Эти структуры расположены в разных участках хромосом. К минисателлитам относятся теломеры.

Макросателлиты обладают в сравнении с микросателлитами и минисателлитами большим размером повторяющегося звена до 1000 и более пар нуклеотидов. Они обнаружены в геномах птиц, кошек и человека.

Умеренно повторяющиеся последовательности в геноме представлены до 10⁴ копий. К ним относятся генные семейства и МГЭ. Генные семейства образуют гены, обладающие гомологичной (или идентичной) нуклеотидной последовательностью, и выполняющие одну и ту же или сходные функции. Они могут быть организованы в виде кластеров или же разбросаны по геному. Существование генов в большом числе копий обеспечивает повышенное образование продуктов их экспрессии. Семейства образуют гены гистонов, рРНК, тРНК и др. МГЭ эукариот составляют в среднем около 10 - 30 % генома. Они могут концентрироваться в определенных участках хромосомы или быть рассеянными по геному. Подробнее этот вопрос рассматривается в разделе «Мобильные генетические элементы».

К уникальной ДНК относятся неповторяющиеся нуклеотидные последовательности. Ее содержание у различных видов варьирует от 15 до 98 %. Доля уникальных последовательностей ДНК у низших эукариот значительно выше, чем у высших. Особенно мало уникальной ДНК у растений. К уникальной ДНК относятся как кодирующие, так и не кодирующие последовательности. При этом большая часть уникальной ДНК не несет функции кодирования. К некодирующей уникальной ДНК относятся интроны, к кодирующей - экзоны. Общий размер интронов, как правило, превышает таковой экзонов. К уникальной ДНК относятся также и псевдогены. Последние, как правило, являются неактивными копиями исходных генов, поврежденными мутациями. Предполагается, что некоторые псевдогены возникли в результате ретропозиции (см. раздел «Мобильные генетические элементы»). Казалось бы, псевдогены являются ненужными элементами генома. Но это не совсем так. На это указывает то, что многие из них являются высоко консервативными, активно транскрибируются, а некоторые могут быть активированы точковыми мутациями. Более того, показано их участие в иммунном ответе и в формировании генов обонятельных рецепторов.

Геном эукариот постоянно подвергается структурным и функциональным перестройкам. Эти изменения могут быть связаны с индивидуальным развитием организма, или осуществляться под действием факторов внешней и внутренней среды организма. Результатом таких перестроек является изменение или нарушение экспрессии генов. Перестройки генома могут быть запрограммированными или нет. Запрограммированные перестройки более подробно рассматриваются в разделе «Перестройки геномов». Незапрограммированные перестройки могут являться результатом мутаций. Последние способны оказывать существенное влияние на работу генетического аппарата. За исправление повреждений ДНК, возникших в результате мутаций, отвечают многочисленные репарационные системы (см. раздел «Репарация»). Благодаря им в клетке в той или иной мере сохраняется стабильность генетического материала.