Генетического материала эукариот

 

Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми и негистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Длина этих фибрилл в диплоидном наборе хромо­сом человека равна примерно 2 м, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около 150 мкм. В настоящее время установлено, что каждая хроматида хромосомы содер­жит одну непрерывную молекулу ДНК, состоящую из 10⁷ пар нуклеотидов. Упаковка генетического материала до­стигается путем спирализации (конденсации) фибрилл.

Первый уровень упаковки ДНК — нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой октамер (цилиндр) диаметром около 10 нм и высотой 6 нм, содержащий по две молекулы каждого из четырех гистонов (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), вокруг кото­рого двойная спираль ДНК образует 1,8 витка и переходит на следующий цилиндр. Участок ДНК, не контактирующий с гистоновым октамером, называется линкер ной ДНК. Дли­на "накрученного" фрагмента ДНК составляет примерно 60 нм (около 150 пар нуклеотидов). Образованная таким способом нуклеосомная нить имеет диаметр около 12 нм. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз (рис. 3.8). Нуклеосомный уровень упаковки обнаруживается под электрон­ным микроскопом в интерфазе и при митозе.

 

Рис. 3.8. Схема нуклеосомного уровня упаковки:

1 - октамер (гистоны Н2А, Н2В, Н3,Н4); 2 - нуклеосома;

3- двойная спираль ДНК; 4- линкерная ДНК

 

 

 

Рис. 3.9. Схема супернуклео- Рис. 3.10. Схема хроматидного

сомного уровня упаковки: уровня упаковки:

1- нуклеосома; 2- линкерная ДНК; 1- ось хроматиды; 2- петля

3- молекула гистона Н1

 

Второй уровень упаковки ДНК — соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсирует­ся. Ее нуклеосомы "сшиваются" гистоном Н1; он закрывает примерно 20 пар нуклеотидов линкерной ДНК и обеспечива­ет формирование спирали диаметром около 30 нм. Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз (рис. 3.9). Супернуклеосомный уровень упаковки обнаруживается под электронным микро­скопом как в интерфазных, так и в митотических хромосомах.

Третий уровень упаковки ДНК — хроматидный (пет­левой). Супернуклеосомная нить конденсируется с образо­ванием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уровень упаковки. Он обнаружи­вается в профазе. Диаметр петель около 50 нм. Нить ДНП (ДНК+белок) укорачивается в 10-20 раз (рис. 3.10).

Четвертый уровень упаковки ДНК — уровень метафазной хромосомы. Хроматиды в метафазе способны еще спирализоваться с образованием минидисков, уложен­ных в стопку. При этом происходит укорочение ДНП в 20 раз (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Схема уровня упаковки метафазной хромосомы:

1- хроматвда; 2- хромосома

Метафазные хромосомы имеют длину от 0,2 до 150 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденса­ции — укорочение нити ДНП в 10 000 раз.

"Хромосомы" прокариотических клеток представляют собой кольцевые молекулы ДНК, содержащие около 5^.10⁶ пар нук­леотидов и образующие комплексы с негистоновыми белками. Используя специаль­ные методы исследования прокариот, можно обна­ружить, что их ДНК со­брана в "бусины", прибли­жающиеся по величине к нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабиль­ны, что указывает на сла­бое взаимодействие ДНК с белками. Характер конденсации хромосомы прокариот не вполне выяснен, но в целом она может быть выделена в виде компактной структуры, называемой нуклеоидом. В прокариотических клетках (бактерий) содержатся и кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов, которыми они могут обмениваться с другими бактериями. Эти автономные генетические элементы — плазмиды — способны реплицироваться вне зависимости от репликации нуклеоида. Плазмиды в большинстве своем содержат гены устойчивости к антибактериальным факторам.

Кольцевидные молекулы ДНК содержатся и в эукариотических клетках в самореплицирующихся органоидах (мито­хондрии, пластиды). Эти молекулы невелики и кодируют не­большое количество белков, необходимых для осуществления автономных функций органоидов. ДНК органоидов не связа­на с гистонами.

 

Первичные функции гена

 

Первичными функциями генов являются хранение и пере­дача генетической информации. Передача генетической ин­формации происходит от ДНК к ДНК при репликации ДНК (аутосинтетическая функция гена при размножении клеток) и от ДНК через и-РНК к белку (гетеросинтетическая функция гена при биосинтезе белка). Поток генетической информации можно изобразить схематически (рис. 3.12). Такой путь пере­дачи информации от ДНК к и-РНК и белку Ф. Крик (1958) назвал " центральной догмой молекулярной биологии ". Долгое время считалось, что передача генетической информации в обратном направлении невозможна. В 1975 г. Р. Дульбеко, Г. Тимин и Д. Балтимор описали явление обратной транскрип­ции, т.е. передачи генетической информации от и-РНК к ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы — ревертазы. Она была открыта у РНК-содержащих вирусов еще в 1970 г. (Г. Тимин, С. Музатани). При участии ревертазы на и-РНК сначала синтезируется одна цепочка молекулы ДНК, а затем она удваивается с помощью фермента ДНК-полимеразы. Наличие ревертазы в нормальных клетках свидетельствует о возможности передачи информации от РНК к ДНК. Было установлено, что на определенных стадиях эмбриогенеза в клетках амфибий резко возрастает число генов, кодирующих рибосомальную РНК (амплификация генов). При этом проис­ходит увеличение числа копий генов р -РНК методом обрат­ной транскрипции. Согласно современным представлениям, "центральная догма молекулярной биологии" может быть представлена схемой (рис. 3.13). Передача информации от белка к ДНК, от белка к РНК и от белка к белку не установле­на и соответствующие ферменты не обнаружены.

 

Рис. 3.12. Схема реализации генетической информации

 

 

 

Рис. 3.13. Современная схема

"центральной догмы молекулярной биологии"

 

 

Репликация молекулы ДНК

 

Репликация молекул ДНК происходит в синтетический период интерфазы. Каждая из двух цепей "материнской" мо­лекулы служит матрицей для синтеза новой цепи по принципу комплементарности. После репликации молекула ДНК со­держит одну "материнскую" це­почку и одну "дочернюю", вновь синтезированную (син­тез ДНК является полуконсерва­тивным). Так как две компле­ментарные цепи в молекуле ДНК направлены втфотивопо-ложные стороны, а ДНК-поли­мераза может продвигаться вдоль матричных цепей лишь от 5΄- конца к 3'-концу, то син­тез новых цепей идет антипа­раллельно (принцип антипарал­лельности) (рис. 3.14).

 

Рис. 3.14. Схема репликации мо­лекулы ДНК

 

Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходи­мо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Но одновременное раскручивание спиралей, состоящих из огромного числа пар нуклеотидов (нескольких миллионов), невозможно. Поэтому репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки на­чала одной репликации до точки начала другой называется репликоном. В бактериальную хромосому входит один репликон. Эукариотическая хромосома содержит много репликонов, в которых удвоение молекулы ДНК идет одновре­менно. Репликон обязательно имеет контролирующие эле­менты: точку начала, в которой инициируется репликация, — она определяется праймерами (затравками), состоящими из 10-200 пар нуклеотидов, и точку окончания, в которой репликация останавливается. Место, в котором происходит репли­кация, получило название репликационной вилки. В репликационной вилке ферменты ДНК - топоизомеразы раскручивают двойную цепочку ДНК, а хеликазы разрывают водородные связи между ее цепочками. Репликационная вилка постепен­но движется вдоль молекулы ДНК от ее стартовой точки (точ­ки начала) до точки окончания. Так как ДНК-полимераза мо­жет двигаться только в одном направлении (5΄→ 3΄), то в каж­дой репликационной вилке она может постепенно и непре­рывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула ДНК по мере расплетания материнской молекулы синтезируется отдельными короткими участками по 150-200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки) под действием фермента ДНК-полимеразы, движущегося в противополож­ном направлении. Эти короткие участки вновь синтезируе­мой полинуклеотидной цепи одного репликона связываются воедино ферментом лигазой. Такой принцип синтеза новых цепей ДНК называется прерывистым. Ферменты ДНК-топо­изомеразы скручивают нити реплицированных участков ДНК. Участки "дочерних" молекул ДНК, синтезированные в соседних репликонах, также "сшиваются" ферментом лигазой. Весь геном клетки реплицируется только один раз за пери­од времени, соответствующий одному митотическому циклу.