Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

ной ДНК. Локализация хромомеров строго постоянна, а размеры

весьма различны. Эухроматиновые районы располагаются в основ-

ном по длине плечей хромосомы.

Гетерохроматиновые районы (гетерохроматин) — это участки

хромосом, которые во время интерфазы и профазы постоянно нахо-

дятся в конденсированном состоянии. Они содержат короткие

фрагменты ДНК, повторяющиеся десятки тысяч раз и насыщенные

парами A T. Синтез их происходит в конце S-периода. Гетеро-

хроматин почти не содержит генов и наследственно инертен. Имеют-

ся сведения, что он контролирует синтез рибосомальной РНК. Гетеро-

хроматиновые районы локализуются преимущественно в дисталь-

ных, проксимальных, реже в промежуточных участках хромосом и

структурно неоднородны. Различают конститутивный и факультатив-

ный гетерохроматин.

Конститутивный гетерохроматин генетически инертен, не содер-

жит генов, никогда не переходит в эухроматин.

Факультативный гетерохроматин содержит ДНК, которая в прин-

ципе может быть активной, способной к транскрипции, но в какой-то

момент находится в конденсированном состоянии и не транскриби-

руется. Состав и количество факультативного гетерохроматина мо-

жет изменяться. Кроме того, он может переходить в эухроматин.

Проблема выяснения свойств и функции гетерохроматина возник-

ла в 20-х годах. Выдвинул ее немецкий ученый Е. Гейтц. Он обнару-

жил у бобов различно спирализованные участки хромосом и ввел

для их обозначения термины «эухроматин» и «гетерохроматин», ука-

зав на функциональные особенности этих районов. Дальнейшие

исследования показали, что гетерохроматин обладает рядом специ-

фических свойств. В некоторых случаях наблюдалась гетерохрома-

тинизация целых хромосом, например, К-хромосомы у дрозофилы,

^-хромосомы у женских особей млекопитающих. У млекопитающих

на ранних стадиях эмбриогенеза происходит инактивация одной из

^-хромосом, сохраняющаяся иногда на протяжении всего развития

организма. В таком состоянии может находиться ^-хромосома либо

матери, либо отца, и тогда в тканях у женской особи наблюдается

мозаицизм по признакам. По мнению М. Е. Лайона (1961), инактива-

ция одной ^-хромосомы лежит в основе регуляции действия генов,

локализующихся в половых хромосомах.

Особенностью гетерохроматиновых районов является их тенден-

ция к взаимному притяжению, вследствие чего различные даже

негомологичные хромосомы могут слипаться в этих местах, проявляя

тем самым сходство данных участков. Вместе с тем установлено, что

в гетерохроматиновых районах чаще происходят разрывы хромосом,

индуцированные различными агентами внешней среды. Наиболее

характерным генетическим свойством гетерохроматина является то,

что он способен влиять на генетическую активность соседних эухро-

матиновых районов. Это явление, получившее название эффекта по-

ложения генов, было описано Н. П. Дубининым и Б. Н. Сидоровым

в 1935 г. Оно заключается в том, что ген, находящийся в эухроматине

и оказавшийся в результате хромосомной перестройки недалеко от

гетерохроматина, иногда ведет себя как мутировавший, т. е. структур -

но измененный ген. Например, перемещение гетерохроматинового

района половой хромосомы у дрозофилы вследствие инверсии участка

хромосомы (поворот на 180°) к дистальному отделу изменяет дей-

ствие гена (красные глаза), и у самок дрозофилы появляются

глаза с красными и белыми пятнами (рис. 17). Явление эффекта поло-

жения генов обратимо (ген может вернуться к исходному состоянию).

В период профазы, особенно на ранних ее этапах, когда спирали-

зация хромосом еще не достигла максимальной интенсивности, сохра-

няется генетическая активность некоторых генов. Тогда в определен-

ных участках хромосом видны деспирализованные разрыхленные

области. Появление их по времени совпадает с активизацией тран-

скрипционной активности соответствующих генов. Так, у личинок

двукрылых насекомых (например, личинки дрозофилы, комара) в

клетках слюнных желез обнаружены гигантские хромосомы. Они

образуются вследствие 10—12 последовательных удвоений хромосом-

ного материала и нерасхождения его в дочерние клетки. Одновре-

менно происходит соматическая конъюгация гомологичных хромо-

сом. В результате объем хромосом увеличивается в тысячи раз, и они

оказываются в 100—150 раз длиннее метафазных. Такие хромосомы

были описаны в 1929 г. Т. Пайнтером и Г. Меллером у насекомых

и названы гигантскими политенными хромосомами. Они встречаются

не только в слюнных железах, но и в клетках других тканей. Для

политенных хромосом характерна поперечная исчерченность, обус-

ловленная чередованием в них плотных хроматиновых дисков, меж-

дисковых пространств и вздутий или пуфов (рис. 18). Диск пред-

ставляет собой функциональную единицу политенной хромосомы, на-

ходящуюся в неактивном состоянии. Он образуется в результате

слияния большого количества одноименных хромомеров. При деспи-

рализации диск переходит в активное состояние, и тогда из него

(или из нескольких дисков) формируется пуф (рис. 19).

Локализация дисков в политенных хромосомах специфична для

каждого вида двукрылых. В 1935 г. К. Бриджес детально изучил

структуру политенных хромосом слюнных желез Drosophila mela-

nogaster и составил ее цитологическую карту. Локализация пуфов в

таких хромосомах зависит от функционального состояния генов и ме-

няется в разные периоды развития насекомого. Установлено, что

часть пуфов находится под контролем гормона окукливания — экди-

зона. На разных стадиях развития двукрылых он детерминирует

появление одних пуфов и исчезновение других.

В 50-х годах С. Беерман высказал мнение, что пуфы являются

выражением генной активности на хромосомном уровне. Если исхо-

дить из того, что пуф это деспирализованный диск, можно предполо-

жить, что и диски и пуфы содержат гены, но пуфы служат местами

очень высокой генной активности. Подтверждением этому послужило

совпадение количества дисков с количеством генов, установленное

путем вычисления частоты их мутирования (изменения структуры).

Кроме того, удалось выявить совпадение по времени моментов воз-

никновения определенного пуфа и появления в клетке специфического

белка. На основании этих данных была сформулирована концепция:

один диск (или один хромомер) — один ген.

Однако количество ДНК в диске во много раз превосходит то ее

количество, которое требуется для одного гена. Сомнительно также

предположение, что ген локализуется в междисковом пространстве,

поскольку количество пар азотистых оснований, необходимое для

кодирования какого-либо белка, значительно превосходит их коли-

чество в междиске. Таким образом, более вероятно предположение,

что ген — это не диск и не междисковое пространство, а совокуп-

ность того и другого. При повышении генной активности часть диско-

вой ДНК может переходить в соседний междисковый участок, что

создает впечатление активности последнего. Если же в междисковом

пространстве оказывается мало места для деспирализованной ДНК,

то возникает пуф, размеры которого часто не коррелируют с интен-

сивностью транскрипции.

Доказательством генетической активности хромосом в профазе

служат также особенности строения хромосом типа «ламповых ще-

ток». Они были обнаружены у зеленых водорослей и у некоторых

других растений, у животных (иглокожие, моллюски, насекомые,

круглоротые, рыбы, амфибии, рептилии, птицы, млекопитающие) и у

человека. Особенно крупные эти хромосомы в ооцитах амфибий (до

1 мм в длину). Хромосомы данного типа формируются в половых

клетках на ранней мейотической стадии развития (стадия диплотены)

после конъюгации гомологичных хромосом. Хромосомы типа «лам-

повых щеток» хорошо видны под микроскопом благодаря интенсив-

ному синтезу и накоплению в них РНК и белка. Они представляют

собой длинные фибриллы, на которых в определенном порядке рас-

полагаются различной длины и толщины петли сильно деспирализо-

ванной хромосомной нити (рис. 20). Выдвижение петель аналогично

образованию пуфов и связано с транскрипционной активностью хро-

мосомы. Однако эти хромосомы ничего общего с гигантскими хро-

мосомами не имеют.

Структура интерфазной хромосомы. Обычно у большинства неде-

лящихся клеток, т. е. у клеток, находящихся на стадии интерфазы,

хромосомы не видны под световым микроскопом, поскольку они

сильно деспирализованы и их вещество, так называемый хроматин,

заполняет все ядро. Поэтому на данной стадии хромосомы изучаются

с помощью электронного микроскопа, выявляющего их ультратонкое

строение.

Хроматин представляет собой нуклеопротеидный комплекс

(ДНП), т. е. комплекс дезоксирибонуклеиновой кислоты с множест-

вом белков, с примесью рибонуклеиновой кислоты. ДНК составляет

в нем около 30—40 %, белки — 60—70 %, РНК — 5 % от всей массы

3. Зак. 5107

хроматина. Липиды составляют 3—4 % весового содержания ДНК.

Роль их пока не выяснена.

Кроме перечисленных компонентов, в хроматине содержатся ионы

кальция, магния и железа. По мнению большинства исследователей,

они необходимы для нормальной работы ферментов, участвующих

в процессах транскрипции.

Относительно числа молекул ДНК в хроматине клеток эукариот

высказывались различные гипотезы. Существовало мнение, что в хро-

мосоме содержится одна молекула ДНК, имеющая линейную кон-

фигурацию. Предполагалось также, что хромосома имеет многонит-

чатую структуру и содержит одну молекулу ДНК, периодически пре-

рываемую вставками белковой или иной природы. В соответствии с

современной концепцией, элементарная хромосомная нить, или хро-

монема, содержит одну молекулу ДНК, представляющую собой

гигантский полимер, в котором уникальные нуклеотидные последо-

вательности располагаются линейно.

ДНК эукариот по структуре похожа на ДНК прокариот. Разли-

чия касаются лишь количества ДНК на геном, длины молекулы

ДНК и порядка чередования нуклеотидных последовательностей.

Однако форма укладки ДНК у про- и эукариот неодинаковая: для

эукариот характерна линейная форма ДНК, в то время как у прока-

риот она кольцевая.

Особенностью ДНК эукариот является также ее избыточность.

Если исходить из того, что у эукариот размер генов в среднем состав-

ляет около 1000 пар нуклеотидов, можно определить их количество

у животных и растений. Оказывается, что генов у них чрезмерно

много, несмотря на сложность организации этих организмов. На-

пример, у дрозофилы не менее 100 тысяч, у млекопитающих и челове-

ка 3—6 млн, а у амфибий еще на порядок больше. У эукариот

количество ДНК, участвующее в кодировании наследственной инфор-

мации, необходимой для выполнения полной программы онтогенеза,

составляет около 2 % всей ДНК, т. е. намного меньше ее общего коли-

чества. Значит, у эукариот в геноме содержится избыточная ДНК

(в 20—100 раз больше, чем кодирующей). Иными словами, число

нуклеотидов в ДНК существенно превышает «потребности» в них

самих генов. У прокариот же вообще нет избыточной ДНК.

Установлено, что часть избыточной ДНК представлена одинако-

выми наборами нуклеотидов, повторяющимися по многу раз. Это так

называемые повторы. Различают многократно- и умеренноповторяю-

щиеся последовательности. Все они либо сконцентрированы в опре-

деленных местах генохма и образуют так называемый структурный

(конститутивный) хроматин, либо более или менее равномерно

распределены вдоль всего генома. Структурный хроматин обычно

встроен между уникальными последовательностями.

Существует мнение, что избыточная ДНК нужна для управления

генами. Но в последнее время обнаружилось, что значительная ее

часть находится не между генами, как считалось ранее, а внутри них.

Оказывается, функционирующая часть ДНК как бы разорвана, раз-

делена «бессмысленными» вставками, в несколько раз большими,

чем сам ген. Возможно, такое строение гена играет какую-то роль

в эволюции, но пока этот вопрос не решен.

Эволюция ДНК у эукариот шла в двух направлениях: в сторону

увеличения и в сторону уменьшения ее количества на геном. Увели-

чение количества ДНК, очевидно, происходило за счет дупликаций

(удвоения) отдельных участков ее молекулы и многократного удвое-

ния всего генома. Было замечено, что количество ДНК на геном с по-

вышением уровня организации у беспозвоночных увеличивается, а у

наземных позвоночных уменьшается. Кроме того, было обнаружено,

что родственные виды (члены одного семейства) содержат примерно

одинаковое количество ДНК, но диапазон его колебаний в пределах

одной систематической группы варьирует (например, у птиц разница

в содержании ДНК у видов с наибольшим и наименьшим ее количе-

ством составляет 1,3 раза, а у хвостатых амфибий — 5 раз). Уста-

новлено, что количество ДНК в клетках не зависит от числа

хромосом и от размеров тела. Обращает на себя внимание тот факт,

что у позвоночных среднее количество ДНК, характерное для той или

иной группы, обратно пропорционально числу видов в группе: напри-

мер, в клетках очень богатых видами птиц и костистых рыб ДНК

меньше, чем в клетках бедных видами двоякодышащих и саламандр.

Последние чрезвычайно медленно эволюционируют, и это, вероятно,

объясняется тем, что избыток ДНК препятствует изменчивости

организмов. В ходе эволюции вначале наблюдалась тенденция к уве-

личению общего количества ДНК на геном, а на более поздних

этапах оно стало уменьшаться. Одновременно происходила высокая

специализация генома, что сопровождалось исчезновением опреде-

ленных уникальных последовательностей, а также избыточной

ДНК- Следовательно, усложнение генома не обусловливало переход

биологической организации к более высокой ступени эволюции.

Белки хроматина представлены гистонами и негистонными, или

кислыми, белками.

Гистоны составляют около 70—80 % молекулярной массы белков

хроматина. Впервые они появились у ядерных организмов, у которых

сформировались настоящие хромосомы. Гистоны вместе с другими

цитоплазматическими белками (актин, миозин, тубулин, митохонд-

риальные дыхательные ферменты) входят в группу консервативных

белков, выполняющих одинаковые функции у всех организмов. Та-

кое название белки получили в связи с тем, что в результате сильного

давления естественного отбора их структуры и функции практически

не изменились в процессе эволюции. Самым консервативным белком

этой труппы являются гистоны. Они найдены в хромосомах всех

клеток эукариот, но не обнаруживаются у прокариот. У высших

организмов описано пять классов гистонов (#1, Я2Л, Я2В, Я3,

//4), различающихся по молекулярной массе и аминокислотному со-

ставу. Это основные белки, отличающиеся высоким содержанием

диаминокарбоновых кислот, в частности лизина (#1,

Н2А

И2В)

аргинина (ЯЗ и Я4). В состав белка Я3 входит также значительное

количество цистеина. Гистоны представляют собой одну полипептид-

ную цепь, не имеющую четвертичной структуры. Их молекулярная

масса варьирует в пределах от 10 000 до 20 000. Они содержат

большое количество положительно заряженных аминокислотных

остатков, вследствие чего легко образуют прочные связи с отрица-

тельно заряженными молекулами ДНК. А. Корнберг (1972) отме-

чает, что у многих высших организмов на единицу длины ДНК прихо-

дится почти одинаковое количество гистонов каждого из пяти клас-

сов. З

сотни миллионов лет эволюции их первичная структура

у разных организмов мало изменилась. Так, молекулы гистона

НА

из

зобной железы теленка и из проростков гороха отличаются только

двумя аминокислотными остатками из 102. Другими словами, одно-

типные гистоны из совершенно непохожих организмов одинаковы по

структуре.

Прежде считалось, что молекула ДНК в хроматине равномерно

покрыта белками и имеет вид сверхспирали, структура которой сохра-

няется благодаря наличию гистонов. Эти предположения были поко-

леблены в 1974 г., когда Р. Корнберг и супруги А. и Д. Олинс

с помощью электронно-микроскопических исследований обнаружили

тяжи хроматина с повторяющимися шаровидными утолщениями и

высказали предположение, что ДНК в простейшей нити хроматина

образует вместе с гистонами особые ядерные тельца — нуклеосомы.

В настоящее время установлено, что нуклеосома — это компактный

комплекс из 140 пар оснований ДНК, спирально уложенной вокруг

глобулы, состоящей из 8 молекул гистонов (по две из каждого клас-

са, кроме Н1; рис. 21). Данные рентгеноструктурного анализа пока-

зали, что нуклеосома имеет дисковидную форму и состоит из двух

слоев, разделенных щелью (рис. 22). Между нуклеосомами имеются

перемычки — так называемые мостики, каждый из которых в зависи-

мости от вида организма и типа клеток содержит 20—120 пар осно-

ваний ДНК (соединительная, или спейсерная, ДНК). Со спейсерной

ДНК связывается гистон HI.

Детально разобраться в структуре нуклеосомы пока еще трудно.

Опытным путем обнаружено, что 90 % ДНК хроматина находится в

виде нуклеосом. Остальные 10 % могут быть ошибкой опыта или от-

носиться к активной ДНК. Значит, нуклеосомы — это «молчащий»

хроматин, а его активные элементы, участвующие в синтезе, устроены

как-то иначе. Известно, что матричная активность хроматина в

10 раз меньше таковой свободной ДНК. Предполагается, что в

активном хроматине нуклеосом вообще нет, а если и есть, то у них

другие свойства. Имеются сведения, что после удаления гистона

матричная активность ДНК повышается. К примеру, установлено,

что при транскрипции хроматин освобождается от нуклеосом и они

обнаруживаются лишь на слабо транскрибируемых участках. Однако

во время репликации нуклеосомная структура хроматина сохраняет-

ся. Известно также, что в функционирующей хромосоме содержание

гистонов уменьшается и появляется много кислых белков. В инерт-

ных же районах хромосом гистоны накапливаются. В то же время

обнаружено, что в некоторых функционирующих хромосомах гистон

не исчезает. Можно предположить, что он как бы цементирует хро-

мосому в отдельных местах и регулирует ее работу. Это важный

момент, так как во всех клетках многоклеточного организма одина-

ковый набор хромосом, но, очевидно, неодинаковый набор функцио-

нирующих генов в разных тканях.

Таким образом, нуклеосомы — это структурные единицы хрома-

тина, обеспечивающие первый уровень его спирализации. Следующий

уровень спирализации обусловливается упорядочиванием располо-

жения нуклеосом в пространстве. Достигается это за счет гистона

/Л, с помощью которого нуклеосомная структура хроматина образует

подобие винта — соленоид (рис. 23). Диаметр нуклеосомы достигает

примерно 10 нм, а соленоида — 30 нм, нить же хроматина становится

короче примерно в 6 раз. Последующее укорочение (до 18 раз) линей-

ных размеров хроматина происходит вследствие того, что сам соле-

ноид закручивается винтообразно, и диаметр этой структуры дости-

гает приблизительно 200 нм (интерфазная спирализация). Затем в

митозе происходит еще один цикл спирализации, когда данная струк-

тура вновь закручивается винтообразно и ее диаметр становится

равным 600 нм.

Негистонные белки хроматина составляют около 20—30 % его

белка и образуют ядерный матрикс. Это остаточные, обычно кислые,

иногда нейтральные или слабоосновные белки. В их составе преобла-

дают дикарбоновые аминокислоты (аспарагиновая и глутаминовая).

Негистоны представляют собой сборную группу белков разных типов.

Больше всего среди них актина (4 % от массы ядерного белка), не-

сколько меньше полимеразы и еще меньше (следы) регуляторных

белков. Негистоны способны образовывать прочные связи с ДНК-

Функция их долгое время оставалась неясной. Определить ее уда-

лось в 1977 г. Дж. Паулсону и Ю. Лэммли. Они обнаружили в хромо-

соме после ее специальной обработки и удаления из нее гистонов

еще один, предшествующий, уровень укладки ДНК. Оказалось, что

в хромосоме есть остов, образованный негистонными белками, на

котором крепятся многочисленные петли ДНК. Выход и вход ее нити в

каждой петле располагаются

рядом (рис. 24). Петли ДНК

j Lv $$ ДВ содержат 30—90 тыс. пар

сЯ^ оснований. Принцип петле-

/ Ж У

кла

ки

сохранился на

^ * всем протяжении эволю-

ции — от бактерий до че-

ловека.

^ ШИ Таким образом было

Щ лК ЯЬ установлено, что структур-

ен^ с»^ Ж

ные

особенности хромосом

ф ж ф ^ %

на

азны

х стадиях жизни

I mfflfo Ж) клетки связаны с их уровнем

1 • Т спирализации и функцио-

нальной активности. Спира-

лизация определяет уровень

организации хроматина

(хроматидный, хромомерный,

нуклеосомный; рис. 25), а ее

цикличность и характер (раз-

мер витков, их число) в свою очередь контролируются наследствен-

ными факторами и подвергаются влиянию факторов внешней

среды.