М

Глава 3

ОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. ГЕН. ЕГО СТРУКТУРА И ФУНКЦИЯ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

Мы начнем изложение медицинской генетики с молеку­лярных основ наследственности, а не с изложения законов Г.Менделя, как это было принято раньше. За последние де­сятилетия в этой области были фундаментальные открытия, которые позволяют понять, как работают механизмы наслед­ственности на молекулярном уровне, с которого начинается формирование любых фенотипических признаков человека, включая самые сложные.

1. Молекулярные основы

НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

1. ДНК — молекула наследственности.

Химические и структурные особенности

Уже из школьной программы биологии известно, что ген — это отрезок молекулы ДНК. Только эта макромолекула из до­вольно обширного спектра макромолекул, существующих в каждой клетке каждого живого организма, способна самовос- производиться, а значит, передавать в поколениях клеток или организмов содержащуюся в ней информацию. Способность ДНК к самовоспроизведению обусловлена особенностями ее химической структуры. Молекула ДНК построена из трех компонентов: сахара, представленного дезоксирибозой, фос­фатных групп и 4 типов азотистых оснований — цитозина (Ц), тимина (Т), которые еще называют пуринами, аденина (А) и гуанина (Г). Это — пиримидины (рис. 3.1). В скобках на рис. 3.1 указано принятое сокращение 4 оснований.

В 1953 г. Уотсон и Крик опубликовали свою историческую статью о физической структуре ДНК. Согласно модели Уот­сона и Крика, молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Каждая спираль обвивается вокруг другой спирали вдоль общей оси. Цепи этой спирали образуют дезоксирибоза и фосфатные группы. Через определенные промежутки к каждой цепи крепится азотистое основание, обращенное внутрь спирали'. Два основания каждой цепи, расположенные на одном и том же уровне, соединяются между собой (рис. 3.2). Самое замечательное в молекуле ДНК это то, что каждое азотистое основание может соединиться (или спариваться)

О Гуанин (Г)

NH₂ Аденин (А)

Пурин

Н₂

Н

8

Пуриновые нуклеотидные основания

Рис. 3.1. Строение молекул нуклеиновых кислот.

Н

Пиримидиновые нуклеотидные основания

уклеиновые кислоты построены из единиц, которые называются нуклео­тидами. Основаниями нуклеотидов являются пиримидины (цитозин, тимин, урацил) и пурины (гуанин и аденин). Атом азота в положении 9 молекул пуринов или в положении 1 молекул пиримидинов связывается с углеродом в положении 1 молекул сахаров (дезоксирибозы в ДНК и рибозы в РНК).

только с другим строго определенным и комплементарным ему основанием, а именно аденин с тимином, а гуанин с ци­тозином. Это свойство нуклеотидов комплементарно спари­ваться обеспечивает основу для точного воспроизведения по­следовательности нуклеотидов каждой цепи ДНК, или конва- риантной редупликации (рис. 3.3). Нуклеотидные цепи ДНК полярны. Полярность определяется тем, как соединяются между собой сахара (дезоксирибозы). Фосфатная группа, присоединенная к С5 (5’-углерод) одного сахара, соединяется с гидроксильной группой в положении СЗ (З’-углерод) следу­ющего сахара с помощью фосфодиэфирной связи. В резуль­тате концевой нуклеотид на одном конце цепи имеет свобод­ную 5’-, а на другом — свободную 3’-группу. Последователь­ность нуклеотидных оснований принято записывать в на­правлении от 5’- к З’-концу. Две нити ДНК антипараллельны друг другу, так как идут в противоположных направлениях и 5’-концу одной цепи соответствует З’-конец другой цепи и наоборот.

Модель ДНК Уотсона и Крика объяснила к тому времени хорошо известное правило английского биохимика Чаргаф-

Большой желобок			Малый желобок
	X ц

Д

Рис. 3.2. Двойная спираль ДНК

ве спиральные полинуклеотидные цепи обвиты одна вокруг другой вдоль общей оси Пары нуклеотидных оснований (А—Т или Г—Ц) лежат внутри двойной спирали Диаметр спирали 2 нм Соседние пары оснований распо­лагаются друг от друга на расстоянии 0,34 нм Структура спирали повторя­ется через каждые 10 пар нуклеотидов Две цепи, закручиваясь друг относи­тельно друга, образуют двойную спираль, в которой имеется два желобка, или бороздки — большая (шириной около 2 2 нм) и малая (шириной около 1,2 нм) Такая структура характерна для так называемой В формы ДНК В В форме двойная спираль правосторонняя, и повороты следуют по часовой стрелке, ДНК может существовать еще и в других формах

фа, согласно которому в любой молекуле ДНК количество пуринов строго соответствует количеству пиримидинов

Элементарной единицеи ДНК является нуклеотид, в состав которого входит одна дезоксирибоза, одна фосфатная группа и

0,29 нм

К-цепи

К-цепи

А

Тимин

н

денин

0,29 нм

н₃с

w

О-Н—N /

С—С с

-/ ч\

Н

С—N

/

н

30 нм

Н—N

ЛЛАЛЛЛ

К-цепи

Рис. 3.3. Комплементарность оснований.

В двойной спирали ДНК пурины (аденин, гуанин) всегда соединяются с пи- римидинами (тимин и цитозин). Между цитозином и гуанином образуется три водородные связи, а между тимином и аденином — две. поэтому иным способом основания соединиться просто не могут.

3.1.2. Репликация ДНК

Поскольку ДНК является молекулой наследственности, то для реализации этого качества она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять всю имеющуюся в ис­ходной молекуле ДНК информацию в виде определенной по­следовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счет особого процесса, предшествующего делению любой клетки организма, который называется репликацией ДНК. Суть этого процесса заключается в том, что специальный фермент раз-

одно азотистое основание. Дезоксирибоза и фосфатная группа в каждой цепи ДНК связаны между собой сильной фосфоди- эфирной связью, а азотистые основания — слабой водородной связью. Энергетически значительно проще разорвать связь между азотистыми основаниями, чем между фосфатными ос­татками и дезоксирибозой в цепях ДНК (рис. 3.4).

Д езокситимидин 5' фосфат

О

Рис. 3.4. Состав нуклеотидов ДНК

И' Г ⁴ о

Дезоксигуанозин-5 фосфат

Дезоксицитидин 5-фосфа

Нуклеотиды ДНК состоят из основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин), сахара (дезоксирибоза) и фосфатных остатков Основание соединяется с уг­леродом в первом положении дезоксирибозы а фосфатный остаток с угле родом в четвертом положении дезоксирибозы (из Ф Айала, Дж. Каигер Со­временная генетика — М Мир, 1987 — Т 1 — С 102)

рывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъе­диняются, и из каждой цепи «торчат» свободные азотистые основания (возникновение так называемой вилки реплика­ции). Особый фермент ДНК-полимераза начинает двигаться

вдоль свободной цепи ДНК от 5’- к З’-концу (лидирующая цепь), помогая присоединиться свободным нуклеотидам, по­стоянно синтезируемым в клетке, к З’-концу вновь синтези­руемой цепи ДНК. На второй нити ДНК (отстающая нить) новая ДНК образуется в виде небольших сегментов, состоя­щих из 1000—2000 нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Для начала репликации фрагментов этой нити требуется синтез коротких фрагментов РНК (о характерных особенностях РНК будет сказано ниже) как затравок, для чего использует­ся особый фермент — PHK-полимераза (праймаза). Впослед­ствии праймеры РНК удаляются, в образовавшиеся бреши встраивается ДНК с помощью ДНК полимеразы I. Таким об­разом, каждая цепь ДНК используется как матрица или шаб­лон для построения комплементарной цепи и репликация ДНК является полуконсервативной (т.е. одна нить в новой молекуле ДНК — «старая», а вторая — новая). Для реплика­ции лидирующей и отстающей цепей клеткой используют разные ферменты. В результате репликации образуются две новые абсолютно идентичные молекулы ДНК, идентичные также исходной молекуле ДНК до начала ее редупликации (более подробно процесс репликации ДНК показан на рис. 3.5). ДНК-полимераза, как и любой другой фермент, сущест­венно ускоряет процесс присоединения комплементарных нуклеотидов к свободной цепи ДНК, однако химическое сродство аденина к тимину, а цитозина к гуанину столь вели­ко, что они соединяются друг с другом и в отсутствие ДНК-полимеразы в простой реакционной смеси¹.

Можно сказать, несколько упрощая, что феномен точного удвоения молекулы ДНК, в основе которого лежит компле- ментарность оснований этой молекулы, составляет молеку­лярную основу наследственности.

Скорость репликации ДНК у человека относительно низ­кая и для того, чтобы обеспечить репликацию ДНК любой хромосомы человека, требовались бы недели, если бы репли­кация начиналась из одной точки. На самом деле в молекуле ДНК любой хромосомы, а-каждая хромосома человека содер­жит только одну молекулу ДНК, имеется множество мест инициации репликации (репликонов). От каждого репликона

5'

5'

3’

Синтез РНК-затравки ДНК-фрагменты Оказаки

3'

одноцепочечныи

р

В

азрыв

Белок SSB

Хеликаза (г~^)

О

.6’

“3'

Белок SSB

Рис. 3.5. Репликация ДНК.

U

Топоизомераза

А. Вилка репликации. Новая нить ДНК синтезируется только в направле­нии от 5’- к З’-концу. Каждая из двух нитей ДНК служит матрицей для син­теза новой нити. Так как родительские нити антипараллельны, то непре­рывная репликация ДНК происходит в направлении 5’ -> 3’ только на од­ной нити, которая называется ведущей (лидирующей).

Б. Синтез новой цепи на отстающей нити требует постоянного образования новых затравок для начала репликации и осуществляется небольшими сег­ментами по 1000—2000 нуклеотидов в каждом (фрагменты Оказаки). За­правки представляют собой короткие последовательности РНК, которые

репликация идет в обоих направлениях до тех пор, пока со­седние репликоны не сливаются. Поэтому репликация ДНК в каждой хромосоме протекает относительно быстро.