Сиволоб А.В., Рушковський С.Р., Кир’яченко С.С. та ін. Генетика. Підручник

Подождите немного. Документ загружается.

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

інтрон

екзон

Транскрипція,

сплайсинг

Рис. 1.9. Мозаїчна будова кодуючої частини гена та схема

утворення різних мРНК (ламані лінії – інтрони, що вирізаються)

унаслідок альтернативного сплайсингу

Загальна кількість генів у геномах вищих еукаріотів варіює при-

близно від 20 до 30 тис. (табл. 1.1). Як показано на рис. 1.10, кодуючі

послідовності цих генів займають лише ~1,5 % геному. Решта припа-

дає на міжгенну ДНК (де розташовані також регуляторні ділянки), ін-

трони (~30 %) і більше ніж половину геному становлять послідовності,

що повторюються.

Повтори

Міжгенна

НК

Екзони

Інтрони

Рис. 1.10. Приблизний відносний вміст послідовностей

різних типів в еукаріотичному геномі

Основні типи повторів, присутні в геномі вищих еукаріотів:

• гени, представлені кількома (а іноді до 1 тис.) копіями. Часто

гени, котрі повторюються, згруповані в кластери, тобто знахо-

дяться поряд один з одним;

Генетика

• псевдогени – послідовності, які гомологічні певним генам, але не

експресуються. До їхньої появи приводять, наприклад, порушення

частини генів, що повторюються: непошкоджені гени беруть на

себе функцію пошкоджених, а останні так і залишаються в геномі;

• багатократні повтори коротких послідовностей (тандемні пов-

тори), частина яких розподілена по всьому геному, але більшість

зосереджена в теломерних і центромерних зонах хромосом;

• інтерсперсні (дисперговані) мобільні елементи, здатні до перемі-

щення та розмноження в межах геному. Мобільні елементи за-

ймають значну частину еукаріотичного геному (від 30 до 50 %),

але розподілені в геномі нерівномірно: є довгі ділянки, що на

90 % представлені мобільними елементами, і такі зони, де інтер-

сперсні елементи відсутні. У цілому спостерігається негативна

кореляція між щільністю генів і мобільних елементів. Детальніше

про типи еукаріотичних мобільних елементів йтиметься в розділі 6.

Крім клітинного ядра, ДНК є також у мітохондріях і хлоропластах,

де являє собою автономний, невеликий порівнянj з ядерним, цито-

плазматичний елемент еукаріотичного геному (див. розділ 6).

СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ДНК

У КЛІТИНАХ

Циркулярна ДНК бактеріальної хромосоми існує в клітині у вигля-

ді комплексу з білками. Ця взаємодія є досить динамічною, і практи-

чно весь бактеріальний геном (що принципово відрізняє його від еу-

каріотичного) перебуває в потенційно транскрипційно-активному

стані: гени є об'єктами швидкої оперативної регуляції у відповідь на

зміну зовнішніх умов.

Загальна довжина ДНК у ядрі еукаріотичної клітини – близько 2 м.

Така кількість ДНК вимагає її щільної упаковки, яка зумовлює тотальне

пригнічення функціональних активностей у більшій частині геному.

Але при цьому упаковка ДНК у клітинному ядрі має дозволяти вибір-

кову активацію певних ділянок у певні моменти часу. Ці альтернатив-

ні завдання вирішуються завдяки тому, що ДНК існує в клітинному

ядрі у вигляді складного нуклеопротеїнового комплексу –

хроматину.

Нуклеопротеїновий комплекс, який містить одну гігантську лінійну

молекулу ДНК називають

хромосомою.

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

Структура хроматину

На першому рівні організації хроматину ДНК формує за рахунок

взаємодії з білками елементарні утворення – нуклеосоми. Білковий

компонент нуклеосоми (кор) складається з восьми молекул корових

гістонів Н2А, Н2В, Н3 і Н4 – по дві молекули кожного типу (див. струк-

туру димеру Н2А-Н2В, який є компонентом кора, на рис. 1.7, а). Окта-

мерний комплекс гістонів має на своїй поверхні своєрідний трек пози-

тивно заряджених амінокислотних залишків, який використовується

для взаємодії з нуклеосомною ДНК довжиною 145 пар основ: ДНК утво-

рює на поверхні октамера ~1,7 витка лівої суперспіралі (рис. 1.11).

Н3

Н4

Н2А

Н2В

Рис. 1.11. Структура нуклеосоми у двох проекціях.

Зображення створено за допомогою програми UCSF Chimera,

код структури у Protein Data Bank 1KX5

У хроматині вся ДНК формує нуклеосоми із середньою щільністю

одна нуклеосома на 200 пар основ, сусідні нуклеосоми з'єднані між -

нуклеосомними лінкерними ділянками. Нуклеосомна ДНК разом із

лінкерною ділянкою становлять так званий нуклеосомний повтор,

Генетика

довжина якого варіює як уздовж полінуклеосомного ланцюга, так

і залежно від функціонального стану, типу клітин тощо. Характер

розподілу нуклеосом уздовж геномної ДНК має важливе функціональне

значення: зрозуміло, що лінкерна ДНК є більш доступною для зовні-

шніх регуляторних впливів.

Як показано на рис. 1.11, кінцеві невпорядковані ділянки гістонів

(хвости) виходять за межі нуклеосоми. Завдяки своїй структурній ла-

більності вони беруть участь в організації хроматину на наднуклеосом-

ному рівні, а також відіграють важливу роль платформи для зв'язу-

вання різноманітних білків. Така взаємодія з білками має важливі

функціональні наслідки для регуляції генної активності й залежить

від посттрансляційних модифікацій хвостів – приєднання певних хі-

мічних груп до певних амінокислотних залишків: ацетилювання, фос-

форилювання, метилювання та деяких інших. Співвідношення між

характером модифікацій і набором білків, які впізнають певний роз-

поділ модифікованих груп по хвостах, називають гістоновим кодом.

Лінкерні ділянки, якими з'єднані сусідні нуклеосоми, продовжу-

ють хід нуклеосомної ДНК по прямій: у результаті нуклеосоми у складі

полінуклеосомної нитки розташовані зиґзаґом (рис. 1.12). За рахунок

взаємодії з ДНК невпорядкованих хвостів корових гістонів і молекул

п'ятого гістона – гістона Н1 (одна молекула на нуклеосому) – полінук-

леосомний зиґзаґ конденсується з утворенням так званої фібрили ді-

аметром 30 нм – другого рівня компактизації хроматину.

Гістон Н1

Рис. 1.12. Зиґзаґоподібна конфігурація полінуклеосомної нитки

Фібрила діаметром 30 нм є основною формою хроматину під час

інтерфази – періоду між клітинними поділами. Однак у хроматині

існує значна гетерогенність за ступенем конденсації. З одного боку,

передумовою активації окремих ділянок хроматину є деконденсація

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

фібрили. З іншого, – у репресованих ділянках хроматинова фібрила

може бути як додатково стабілізованою в компактному стані, так

і піддаватися компактизації більш високого порядку. Частина хро-

матину, що зберігає стан підвищеної компактизації протягом ін-

терфази, називається

гетерохроматином (решта хроматину, де

в принципі може відбуватися активація транскрипції, позначається

як

еухроматин). Утворення гетерохроматину здійснюється головним

чином у ділянках, що містять повтори – у центромерах, теломерах

та суміжних перицентромерних і субтеломерних ділянках, зонах кон-

центрації мобільних елементів.

На наступному рівні структурної організації у клітинному ядрі

хроматинова фібрила формує петлі, кінці яких жорстко закріплені на

скелетних білкових структурах клітинного ядра – ядерному матриксі

(рис. 1.13). Одна петля, що містить від 20 до 200 тис. пар основ ДНК

(один або кілька генів) часто розглядається як важливий елемент ре-

гуляції процесів транскрипції та реплікації. Із білками матриксу взає-

модіють ділянки ДНК довжиною від 300 до 1 тис. пар основ – ділян-

ки, асоційовані з матриксом (MAR, Matrix A

ssociated Regions).

Петля

роматинової

фібрили

Філамент

ядерного

матриксу

ілянка,

асоційована з

матриксом (MAR)

Рис. 1.13. Схема петельної організації хроматину

Ядерний матрикс – це система білкових філаментів, яка формує

структурний каркас ядра. На периферії ядра розташована особлива

частина матриксу, асоційована із внутрішньою ядерною мембраною –

ядерна ламіна. Від ламіни всередину ядра протягнуті філаменти вну-

трішнього ядерного матриксу. З ламіною взаємодіє значна частина

гетерохроматину, зокрема центромери й теломери хромосом. Еухро-

матинова частина хромосоми "звисає" всередину ядра, де хроматино-

ві петлі закріплюються на внутрішній частині матриксу. У результаті

хромосома займає певну зону в об'ємі ядра – хромосомну територію.

Генетика

Хромосоми

У соматичних клітинах переважної більшості багатоклітинних ор-

ганізмів існує подвійний (парний) набір хромосом:

гомологічні хромо-

соми кожної пари містять майже однакові молекули ДНК із майже од-

наковим набором генів, які розташовані вздовж молекули ДНК

в однаковому для двох хромосом порядку (мають певні визначені міс-

ця у хромосомі –

хромосомні локуси). Таким чином, можна розглядати

ген як певний хромосомний локус. При утворенні статевих клітин

(

гамет) до однієї з них переходить по одній хромосомі від пари гомоло-

гічних хромосом (див. процес мейозу, описаний нижче) – статева клі-

тина містить одинарний (

гаплоїдний) набір хромосом. Відповідно, при

заплідненні відбувається об'єднання двох гаплоїдних хромосомних на-

борів з утворенням

диплоїдного набору нащадка. Оскільки дві гомоло-

гічні хромосоми походять від різних особин, вони не є абсолютно іден-

тичними: певні гени можуть бути відсутніми в одній із гомологічних

хромосом або мати відмінності у своїх нуклеотидних послідовностях.

Різні варіанти одного гена (локусу) називають

алелями даного гена.

Слід зауважити, що хромосомні набори багатьох організмів, які

розмножуються статевим шляхом, містять одну пару

статевих хро-

мосом

(усі інші хромосоми називають аутосомами), які представлені

двома негомологічними типами. Як правило, одна зі статей є гомога-

метною (містить дві статеві хромосоми одного типу), інша – гетерога-

метною (різні статеві хромосоми), на чому й базується визначення

статі нащадка при заплідненні (див. розділ 6). Слід зазначити також,

що зазвичай

під геномом виду розуміють сукупність послідовностей

ДНК у гаплоїдному наборі

. Саме в цьому розумінні наведено дані що-

до розмірів геномів і кількості хромосом у табл. 1.1.

Коли клітина вступає в мітоз, після реплікації ДНК (і, відповідно,

подвоєння диплоїдного набору хромосом) починається утворення над-

компактної мітотичної хромосоми, деталі структурної організації якої

залишаються недостатньо зрозумілими. Одночасно з компактизацією

хроматинової фібрили частина ламіни "розчиняється" разом із ядерною

мембраною, інша частина, разом із внутрішнім матриксом, перебудо-

вується з утворенням білкового каркасу мітотичної хромосоми – хро-

мосомного скефолду (scaffold), з яким залишаються зв'язаними основи

хроматинових петель. Компактна мітотична хромосома, яка після від-

повідного забарвлення стає видимою під оптичним мікроскопом, має

два плеча (рис. 1.14), розділених центромерною перетяжкою.

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

Центро-

мера

Теломера

Плече

хромо-

соми

Рис. 1.14. Схема морфології

двох гомологічних мітотичних хромосом

Центромера, що розділяє два плеча хромосоми, є ділянкою хромо-

соми, на якій відбувається утворення складного мультибілкового ком-

плексу – кінетохору, необхідного для прикріплення мікротрубочок ве-

ретена поділу. На перших стадіях мітозу унаслідок реплікації ДНК

(див. нижче) кожна хромосома представлена двома сестринськими

хроматидами, з'єднаними між собою своїми центромерами за раху-

нок білок-білкових взаємодій. Пізніше веретено поділу забезпечує

розходження дочірніх хромосом (див. обговорення мітозу нижче).

Довжина центромерної ділянки ДНК сильно варіює (від 125 пар

основ у дріжджів Saccharomyces cerevisiae до 0,1–4 млн пар основ

у людини). У деяких видів, скажімо, у нематоди Caenorhabditis elegans

та в річкового рака, окремі хромосоми мають дифузну центромеру –

мікротрубочки прикріплюються по всій довжині хромосоми (так звані

голоцентричні хромосоми). Найчастіше послідовність ДНК в ділянці

центромери представлена тандемними АТ-збагаченими повторами

й не містить активних генів. Гомології між центромерними послідов-

ностями різних організмів чи певних консенсусних мотивів, прита-

манних лише центромерній ДНК, немає: провідну роль у визначенні

структури центромери відіграють білки, які взаємодіють із ДНК у цій

ділянці. Центромерні білки (одним із головних є, зокрема, CENP A –

аналог гістону Н3, який входить до складу нуклеосом у центромерній

зоні) забезпечують компактизацію центромерної зони хромосоми та

рекрутують до цієї зони білки кінетохору.

Генетика

Розміщення центромери на певній хромосомі є постійною характе-

ристикою: під час кожного клітинного поділу локалізація видимої під

мікроскопом центромерної перетяжки не змінюється. Залежно від роз-

міщення центромери хромосоми розподіляють на три типи (рис. 1.15):

• метацентричні хромосоми – центромера ділить хромосому на

два плеча, приблизно однакових за довжиною;

• субметацентричні хромосоми – центромера ділить хромосо-

му на два плеча, різних за своєю довжиною; плечі познача-

ють латинськими літерами p (коротке плече) і q (довге плече);

• акроцентричні хромосоми – центромера ділить хромосому на

два плеча, довжина яких різниться настільки сильно, що під

мікроскопом короткі плечі майже не помітні.

а б в

Рис. 1.15. Фото трьох типів мітотичних хромосом людини

(пар сестринських хроматид, з'єднаних центромерами):

метацентрична (а), субметацентрична (б), акроцентрична (в).

Стрілкою позначено центромерну перетяжку

Кожне плече хромосоми закінчується теломерою – комплексом те-

ломерної ДНК на кінці хромосоми та специфічних теломерних білків.

Довжина теломерної ділянки варіює в різних організмів (наприклад,

у миші понад 30 тис. пар основ, у людини їх 10–15 тис.). Крім того,

довжина теломери часто залежить від типу тканини, проліфератив-

ної активності клітини тощо.

Розмір хромосом, їхня кількість, відносний розмір плечей – усе це

є специфічною видовою характеристикою. Сукупність морфологічних

ознак, за якими можна охарактеризувати набір мітотичних хромосом

даного організму (виду) називають

каріотипом.

Слід зупинитися на особливому випадку, коли окремі хромосоми

можна побачити за допомогою оптичного мікроскопа не лише під

час мітозу. У деяких клітинах (різноманітні тканини личинок комах,

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу

клітини трофобласту у ссавців, клітини зародкового міхура в рослин

тощо) хромосоми мають гігантські розміри й видимі постійно. Це

стає можливим за рахунок того, що хромосома складається не з од-

нієї молекули ДНК, а з декількох сотень і навіть тисяч ідентичних

молекул, які накопичуються в результаті багаторазової реплікації без

проходження клітиною мітотичних поділів (ендоредуплікація). Такі

хромосоми називають

політенними. Загалом реплікація без наступ-

ного поділу клітини приводить до виникнення багатьох наборів мо-

лекул ДНК – поліплоїдизації (див. розділ 4). Але на відміну від полі-

плоїдних клітин, при політенії однакові копії молекули ДНК контак-

тують між собою по всій довжині, що й дозволяє побачити їх як одну

гігантську деконденсовану хромосому.

Політенні хромосоми на цитологічних препаратах мають харак-

терну поперечну посмугованість: темні смуги (диски, або хромомер и )

чергуються зі світлими (міждисками), створюючи специфічний ли-

ше для даної хромосоми малюнок. Вважається, що в області дисків

переважно розміщенні гени, активація яких зумовлює характерне

здуття диска – появу так званого пуфа. Великий розмір політенних

хромосом, можливість досить легкої ідентифікації конкретних ге-

номних ділянок, хромосомних перебудов тощо – усе це робить полі-

тенні хромосоми зручним об'єктом дослідження в цитогенетиці.

Біологічна роль політенії, можливо, пов'язана з високою метаболіч-

ною активністю певних клітин.

РЕПЛІКАЦІЯ ДНК

Комплементарне спарювання нуклеотидів у складі подвійної

спіралі ДНК негайно вказує на механізм копіювання генетичної ін-

формації шляхом реплікації. Синтез ДНК відбувається при репліка-

ції з використанням обох полінуклеотидних ланцюгів як матриць –

за так званим напівконсервативним механізмом: дві дочірні моле-

кули-копії містять один материнський ланцюг (що служив матри-

цею) і один ланцюг, синтезований de novo. Включення нуклеотидів

до ланцюга, що синтезується, детермінується матрицею за принци-

пом комплементарності. Базові молекулярні механізми реплікації

є спільними для всіх організмів.

Генетика

Зростання ланцюга ДНК відбувається в напрямку від 5'- до 3'-кінця.

Субстратами реакції є 3'-кінцева ОН-група дезоксирибози зростаючого

ланцюга та дезоксирибонуклеозидтрифосфати (рис. 1.16). Фермент,

що каталізує цю реакцію, – ДНК-залежна ДНК-полімераза.

дезоксирибоза

основа

фосфат

Рис. 1.16. Схема ДНК-полімеразної реакції

Реплікація ДНК починається з невеликої ділянки – ориджину

(origin), де здійснюється ініціація процесу, головним моментом якої

є розходження ланцюгів ДНК. Далі з ходом реплікації такий репліка-

тивний міхур (рис. 1.17) розростається у двох протилежних напрям-

ках. На кожному боці міхура існує так звана реплікативна вилка,

в основі якої й відбувається синтез ДНК.

Лідируючий

анцю

Ланцюг, що запізнюється

–

фрагменти Оказакі

-полімераза

Рис. 1.17. Реплікативний міхур – дві реплікативні вилки,

які переміщуються у протилежних напрямках

(ланцюги, що синтезуються, показано тільки для однієї з них)