Кроме нуклеоида, представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды, представляющие собой ковалентно замкнутые кольца днк.

Характеристика и условия возникновения альтернативных форм двойной спирали ДНК

Все, о чем мы говорили, касалось наиболее распространенной, так называемой В-формы двойной спирали ДНК. Известны также два других изомерных типа двойной спирали. Они образуются благодаря тому, что валентные углы между основаниями и сахаром могут меняться, а дезоксирибозное кольцо и сахарофосфатный остов достаточно гибки, чтобы могли сформироваться альтернативные конфигурации.

A-форма ДНК

A-форма ДНК - спиральная конформация молекулы ДНК, которую она принимает в волокнах ДНК при низкой относительной влажности или в растворах с низкой активностью растворителя. В этой форме находится в обычных условиях двойная спираль РНК, так как дополнительная гидроксильная группа сахара не дает возможность в этом случае уложить сахаро- фосфатную цепь РНК в B-спираль. Как и B-форма, эта структура является правой спиралью.

А-ДНК - единственная представительница А-семейства. В этой форме ДНК на виток спирали приходится 11 пар оснований. Период спирали в спиртовых растворах близок к этой величине. Расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали составляет 2,56 А. Пары оснований в A-ДНК, так же как и в B-ДНК, почти плоские, но в этой форме они наклонены на 20 град. относительно перпендикуляра к оси спирали и смещены относительно оси на 4,7 А, так что ось попадает в главный желобок. Это приводит к появлению полости в центре структуры; кроме того, главный желобок становится глубоким, а минорный желобок - мелким. Сахар у А-ДНК находится в С3'-эндо-конформации, а не в С2'эндо-конформации как в случае всех других модификаций ДНК. Иная, чем в B-форме, конформация сахара свидетельствует о том, что конформации A- и B- спиралей разделены энергетическим барьером. Ориентация сахара и основания относительно С1'-N- гликозидной связи также отличается: у двойных спиралей А-типа торсионный угол вращения относительно гликозидной связи лежит в области -an(-160 град).

Z-форма ДНК

Если полинуклеотид poly(dG-dC) поместить в водный раствор с высокой концентрацией MgCl2, NaCl или спирта, то образуется левая двойная спираль Z-ДНК. Повторяющейся единицей спирали является не пара нуклеотидов, а двойка соседних пар. В каждой из комплементарных нитей Z-ДНК происходит чередование син- и анти-конформаций нуклеотидных звеньев, а в каждой паре оснований одно всегда находится в син-конформации относительно гликозидной связи, другое - в анти-конформации. Схематически это изображено на Рис. Чередование конформаций оснований в Z-ДНК. У этой спирали сохраняется уотсон-криковское спаривание оснований, однако у гуанозина сахар находится в С3'-эндо-конформации, основание - в син-ориентации и угол торсионного вращения относительно связи С4'-С5' (см. Полинуклеотидная цепь) лежит в области an, тогда как для цитидина соответствующие параметры - это С2'-эндо, анти и +ск. Угол спирального вращения (т.е. угол поворота пары относительно соседней вокруг оси спирали) для Z-ДНК равен -9 или -51 градус, в зависимости от того, какой из контактов, анти-син или син-анти, реализуется в данном месте. Таким образом, на виток Z-спирали приходится 12 пар оснований.

В зависимости от условий среды образуются Z-, Zi-, Zii- и Z'-ДНК, которые составляют Z-семейство. Z-форму стабилизируют спермин, двухвалентные катионы и введение определенных химических модификаций.

Во всех правых комплементарных двойных спиралях ДНК и РНК (за исключением "В-ДНК с чередованием конформаций") все фосфаты полинуклеотидной цепи эквивалентны, т.е. расположены на одном и том же расстоянии от оси спирали и имеют одинаковое химическое окружение. В противоположность этому левая закрученность полинуклеотида poly(dG-dC) с чередующейся последовательностью приводит к тому, что расстояние фосфата у d(CpG) до оси спирали ("фосфатный" радиус спирали) оказывается меньше (около 6,2 А), чем у фосфата d(GpC) (около 7,6 А). Поскольку "фосфатный" радиус спирали меняется, принимая попеременно два разных значения, а соседние сахара "смотрят" в противоположные стороны, линия, последовательно соединяющая атомы фосфора в цепи, перестает быть гладкой, как в двойных спиралях с эквивалентными нуклеотидами, и приобретает зигзагообразный вид. Отсюда и название Z-ДНК.

У левых двойных спиралей есть только минорный желобок, через который проходит ось спирали: этот желобок глубокий и узкий и с двух сторон ограничен фосфатными группами. Область главного желобка заполнена атомами С5 цитидина и N7, С8 гуанина.

Z-ДНК, вероятно, имеет определенное биологическое значение. Она обнаружена в хромосомах дрозофилы и, возможно, участвует в регуляции сверхспирализации ДНК

 

Содержание нуклеиновых кислот в геномах в филогенезе

По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал.

Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды - продукты модификации рибонуклеотидов.

Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).

В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.

В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций.

Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение - как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.

После того как были открыты каталитически активные РНК, идея первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК, предшествовавшего современной жизни

Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для образования аминокислот и полипептидов.

Упаковка ДНК в хромосомах

В клетках или вирусах ДНК, по-видимому, никогда не находится в свободной, вытянутой форме. Она связана с низкомолекулярными катионами — ионами двухвалентных металлов либо с ди- и полиаминами или белками, а возможно, с теми и с другими. Взаимодействие осуществляется с помощью электростатических сил — отрицательно заряженные фосфатные группы частично нейтрализуются положительно заряженными ионами металлов и полиаминами или основными аминокислотными остатками белков. В результате таких взаимодействий происходит конденсация ДНК с уменьшением объема, занимаемого молекулой, иногда в тысячу раз. Кольцевая ДНК Е. coli длиной 1,4 мм заключена в клетку, имеющую форму палочки диаметром 1 мкм и длиной 2 мкм; у эукариотических клеток ядерная ДНК длиной почти 2 м в стадии интерфазы заключена в ядре диаметром менее 10 мкм. Ядерная ДНК в клетках, находящихся в стадии митоза, конденсирована еще больше и в световом микроскопе имеет вид очень компактной структуры.

Хромосомы эукариот. Хромосомы эукариотических клеток состоят в основном из хроматина — комплекса двухцепочечной ДНК и пяти гистоновых белков, обозначаемых H1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Гистоны могут быть ацетилированы, метилированы, фосфорилированы, роlу(АDР)-рибозилированы, а гистоны Н2А и Н2В — ковалентно связаны с белком, называемым убиквитином. Какова роль воздействия указанных компонентов на структуру и функции гистонов — до конца не выяснено. Гистон H1 млекопитающих состоит из примерно 215 аминокислот; размеры других гистонов варьируют от 100 до 135 аминокислот. Все они содержат необычно большое количество положительно заряженной аминокислоты лизина; Н3 и Н4 отличаются от других тем, что у них достаточно высок уровень положительно заряженной аминокислоты аргинина. Соотношение между Н2А, Н2В, Н3 и Н4, содержащимися в хроматине низших эукариот (дрожжи, плесневые грибы), такое же, как в хроматине млекопитающих.

На электронно-микроскопических фотографиях в зависимости от условий выделения и степени растяжения хроматин выглядит либо как длинное волокно диаметром 10 нм, либо чаще как более вытянутое волокно с утолщениями — «бусинками» диаметром 10 нм, нанизанными по всей длине волокна с определенными интервалами.

Каждая из этих бусинок представляет собой нуклеосомный кор, на который намотан сегмент хромосомной ДНК длиной 145 пар оснований. Кор — это гистоновый октамер, состоящий из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по две молекулы каждого вида.

 

Рис. Модель нуклеосомного кора, построенная по данным кристаллографического анализа низкого и высокого разрешения.

Сегмент ДНК (145 пар оснований), изображенный в виде трубки, обвивает гистоновый октамер, делая вокруг него 1³/₄ оборота

 

Молекула ДНК, обвиваясь 1³/₄ раза вокруг нуклеосомного кора, образует сверхспираль.

Пятый гистон, H1, не входит в состав нуклеосомного кора и не участвует в процессе наматывания ДНК на гистоновый октамер. Он контактирует с ДНК в тех местах, где двойная спираль входит и выходит из нуклеосомного кора.

Рис. Гистон Н1 «сшивает» ДНК в местах, где она начинает и прекращает наматываться на нуклеосомный кор

В такой структуре с одним гистоновым октамером и молекулой гистона H1 ассоциированы 168 пар оснований спиральной ДНК. Как мы уже отмечали, на электронно-микроскопических фотографиях хроматин часто обнаруживается в двух альтернативных формах: в форме волокна с четко разделенными нуклеосомами (нуклеосомы имеют вид бусинок, нанизанных на нитку) или в форме волокна диаметром 10 нм, в котором нуклеосомы упакованы бок о бок по всей его длине. Волокно диаметром 10 нм может подвергаться дальнейшей конденсации с образованием структур более высокого порядка. При этом нуклеосомы, по всей видимости, образуют соленоид — структуру диаметром 30 нм.

Рис. Структура хроматина с разной степенью конденсации.

В нижней части рисунка представлен хроматин, находящийся в растянутой форме; он имеет вид нити с нанизанными на нее бусинками.

Далее изображен хроматин в частично конденсированной форме, представляющий собой волокно диаметром 10 нм.

В верхней части рисунка представлен хроматин в наиболее конденсированном состоянии, когда волокно диаметром 10 нм образует соленоид диаметром 30 нм.

Обратите внимание на взаимодействие молекул гистона Н1, связанных с каждой нуклеосомой, которое способствует конденсации волокна диаметром 10 нм в более плотную структуру

В результате взаимодействия ДНК с гистонами сегмент двойной спирали ДНК из 168 пар оснований со средним диаметром 2 нм и длиной 57 нм превращается в спираль диаметром 10 нм и длиной 5 нм. При последующем сжатии этой спирали до волокна диаметром 30 нм степень конденсации увеличивается еще в шесть раз. Таким образом, упаковка дуплекса ДНК с пятью гистонами приводит к 50-кратной конденсации ДНК. Однако даже столь высокая степень конденсации не может объяснить почти 5000-кратное уплотнение ДНК в метафазной хромосоме.

Эукариотический хроматин содержит и другие белки, которые обычно называют негистоновыми. Некоторые из них, например ферменты, необходимые для репликации и экспрессии ДНК, могут связываться с хроматином временно. Белки, принимающие участие в различных процессах регуляции, связываются с ДНК только в специфических тканях или на определенных стадиях дифференциации. Все эти вопросы, а также роль альтернативных способов организации хроматина в процессах репликации и экспрессии мы детально рассмотрим в последующих главах.

Хромосомы прокариот. Насколько известно, в упаковке прокариотической геномной ДНК участвуют только два или три белка. О природе взаимодействия этих белков с ДНК и о структуре конденсированного комплекса белокнуклеиновая кислота известно немного. У Е. coli, по-видимому, существует лишь один белок или один класс ДНК-связывающих белков, называемых HU-белками; по своему размеру, содержанию лизина и аргинина, антигенным свойствам они сходны с эукариотическим гистоном Н2А. Другой белок, белок II, обнаруженный у Е. coli и цианобактерий, по повышенному содержанию лизина и ДНК-связывающим свойствам также напоминает эукариотический гистон. Белки HU и II обнаружены в количествах, достаточных для образования комплекса по крайней мере с половиной ДНК Е. coli и, по-видимому, совместно с полиаминами и еще неизвестными нам белками могут осуществлять те же самые функции при конденсации и упаковке ДНК, что и пять эукариотических гистонов.