Явление избыточности ДНК у эукариот реферат
.docxСГМА
Явление избыточности ДНК у эукариот.
Смоленск 2013 г.
Главная количественная особенность генетического материала эукариот — наличие избыточной ДНК. Этот факт легко выявляется при анализе отношения числа генов к количеству ДНК в геноме бактерий и млекопитающих. Если средний размер гена бактерий 1500 пар нуклеотидов (п.н.), а длина кольцевой молекулы ДНК хромосомы Е.соli и В.subtilis составляет около 1,1 мкм, то в такой хромосоме могут разместиться около 3000 генов. Примерно такое число генов было экспериментально определено у бактерий по числу типов иРНК. Если это число умножить на средний размер гена, то получится, что около 95% генома бактерий состоит из кодирующих (генных) последовательностей. Остальные 5%, по-видимому, заняты регуляторными элементами.
Иная картина наблюдается у эукариотических организмов. Например, у человека насчитывают приблизительно 5∙104 генов (имеется в виду только суммарная длина кодирующих участков ДНК — экзонов). В то же время размер генома человека 3∙109 п.н. Это означает, что кодирующая часть его генома составляет всего 15—20% от тотальной ДНК. Существует значительное число видов, геном которых в десятки раз больше генома человека, например некоторые рыбы, хвостатые амфибии, лилейные. Избыточная ДНК характерна для всех эукариот. В этой связи необходимо подчеркнуть неоднозначность терминов генотип и геном.Под генотипом следует понимать совокупность генов, имеющих фенотипическое проявление, тогда как понятие генома обозначает количество ДНК, находящееся в гаплоидном наборе хромосом данного вида.
В конце 60-х годов XX века работами американских ученых Р.Бриттена, Э.Дэвидсона и других была открыта фундаментальная особенность молекулярной структуры генома эукариот — нуклеотидные последовательности разной степени повторяемости. Это открытие было сделано с помощью молекулярно-биологического метода изучения кинетики ренатурации денатурированной ДНК. Различают следующие фракции в геноме эукариот.
1.Уникальные, т.е. последовательности, представленные в одном экземпляре.
2.Промежуточные, или среднечастотные, повторы — последовательности, повторяющиеся десятки и сотни раз.
3. Высокочастотные повторы, число которых достигает 106 (на геном). Повторы образуют так называемые семейства, под которыми понимают совокупность последовательностей, полностью или по большей части гомологичных друг другу.
У вирусов их нуклеиновая кислота состоит целиком из структурных генов. Хромосома РНК-содержащего вируса длиной 1200 нуклеотидов содержит один структурный ген. У других мелких вирусов ~ 3 тыс. нуклеотидов, т.е. три гена среднего размера. ДНК сложных вирусов содержит более 200 тыс. пар нуклеотидов и от десятков до сотен структурных генов. В гораздо более крупном бактериальном геноме молекула ДНК состоит из нескольких миллионов пар оснований, большинство генов уникальны (за исключением генов рРНК и тРНК).
У животных больше половины гаплоидного генома занимают, как правило, участки ДНК, представленные там лишь по одному разу. У высших растений доля уникальных генов составляет 20-30%. По-видимому, к числу таких уникальных участков относится большинство структурных генов, кодирующих белки (кроме гистонов).
К повторам средней частоты относятся гены рибосомальной РНК, транспортной РНК и гистонов. Число копий в гаплоидном геноме колеблется от нескольких сот до нескольких тысяч. Общая доля всех видов повторов средней многократности составляет у эукариотов от 1/10 до ¼ генома.
Нередко из-за существенных различий в нуклеотидном составе высокочастотных повторов и остальной ДНК первые образуют при центрифугировании в градиенте плотности хлористого цезия так называемые сателлитные пики, которые имеют большую или меньшую плавучую плотность, чем остальная ДНК. Эта фракция генома представлена небольшим (10—15) числом семейств коротких (5—12 п.н.) повторов, образующих протяженные блоки. Внутри блоков группы повторов отдельных семейств могут чередоваться друг с другом, так что сателлитная ДНК имеет как бы лоскутную структуру. Гибридизация фракций высокочастотных последовательностей с ДНК непосредственно на препаратах хромосом позволила установить, что эта фракция генома локализована в районах конститутивного гетерохроматина, чаще всего прицентромерного или теломерного. Еще в 30-х годах XX столетия было показано, что в генетическом отношении эти районы инертны, т.е. не содержат генов. В действительности столь малые последовательности, составляющие сателлитную ДНК, не могут кодировать ничего, кроме олигопептидов. Более того, гетерохроматические районы не транскрибируются. Таким образом, в случае высокочастотных последовательностей ДНК обнаруживается тождество молекулярной организации и генетических свойств хромосомной ДНК эукариот. Следует отметить, что эта фракция у огромного большинства видов занимает не более 10% генома.
Существуют три гипотезы о способах упаковки ДНК в хромосомах эукариот. Согласно первой, по всей длине хромосомы тянется одна-единственная непрерывная молекула ДНК (гипотеза однонитчатой, или унинемной, хромосомы). По второй гипотезе, хромосома (хроматида в G2) состоит из двух (или более) субъединиц — полухроматид, субхроматид, которые могут идти параллельно или быть взаимно закрученными. Каждая субхроматида содержит молекулу (лы) ДНК. Это гипотеза многонитчатой, или полинемной, в простейшем случае — бинемной хромосомы. Наконец, некоторые авторы полагали, что ДНК в эукариотических хромосомах периодически прерывается связками иной химической природы, например белковой или фосфолипидной. Последнее предположение не нашло экспериментального подтверждения и в настоящее время в основном оставлено.
Что касается моделей многонитчатой хромосомы, то они основаны преимущественно на данных цитологов, наблюдавших «субхроматиды» в живых клетках или после их специальной фиксации. Однако теперь ясно, что с помощью световой и электронной микроскопии строго обосновать эти модели невозможно.
На сегодняшний день по совокупности фактов предпочтение следует отдать гипотезе «одна ДНК: одна хромосома». В пользу ее свидетельствуют: а) данные генетики о линейном расположении генов в хромосомах; б) наличие уникальных нуклеотидных последовательностей в геномах эукариот; в) распределение 3Н-тимидиновой метки в I и II циклах репликации, полностью соответствующее модели Уотсона и Крика; г) данные вискозиметрического анализа лизатов клеток культуры ткани дрозофилы с нормальным и перестроенным хромосомными наборами, показывающие, что молекулярная масса самых крупных частиц в лизате (после его депротеинизации) сравнима с молекулярной массой ДНК самых крупных хромосом данного кариотипа; д) данные по контролируемому растяжению политенных хромосом хирономуса, указывающие на то, что их разрывы начинаются только тогда, когда растянутая с помощью микроманипулятора хромосома достигает длины упакованной в ней ДНК; е) данные радиационной цитогенетики, доказывающие, что перестройки хромосом, ранее считавшиеся субхроматиднымы, в действительности являются хроматидными аберрациями, имеющими своеобразную конфигурацию при облучении клеток в профазе митоза. Если верна модель однонитчатой хромосомы, то длина ДНК, заключенной в эукариотических хромосомах, может достигать нескольких сантиметров.
В беспорядочном сплетении хроматид интерфазного ядра довольно трудно обнаружить активные участки. Однако в некоторых участках удаётся видеть ответвляющиеся от хроматид тонкие нити мРНК. Особенно хорошо различимы активные участки в хромосомах ооцитах земноводных, в политенных хромосомах слюнных желез дрозофилы и других двукрылых насекомых, а также в ядрышковом организаторе. В ооцитах амфибий, рыб, птиц и рептилий хромосомы сильно вытянуты и образуют симметричные петли (хромосомы типа «ламповых щеток»). Как показали электронно-микроскопические исследования петли состоят из деспирализованного участка ДНК. Вдоль петли расположены молекулы РНК-полимеразы и от каждой из них отходит нить иРНК. В слюнных железах большинство генов репрессировано. Активация гена ведёт к разбуханию соответствующего хромомера. Такие вздувшиеся хромомеры получили название пуффов. Пуфф образован петлями деспирализованных нитей ДНК хромомеров, подобно петлям «ламповых щеток».
Особый вид активного хроматина представлен ядрашками, хорошо видимыми в большинстве интерфазных фдер, ДНК в этом участке хромосом (ядрышковом оргазиторе) состоит из многократных повторов генов рРНК, число таких повторов может составлять у разных объектов от сотен до тысяч.
В некоторых клетках, в которых происходит интенсивный синтез белка и поэтому нужно большое количество рибосом, происходит амплификация генов рРНК. При репликации генов рРНК часть этих генов выходит из хромосомы в ядерный сок, располагается вблизи ядерной мембраны и продолжает там автономно реплицироваться по способу «катящегося обруча». Затем в сотнях, тысячах или даже миллионах сформированных таким образом добавочных ядрышек происходит транскрипция, и огромное количество молекул рРНК поступает из ядра в цитоплазму и используется при образовании рибосом.
Другой способ компесаторного увеличения числа генов рРНК, называется магнификацией. Существенно отличается от амплификации тем, что: 1. происходит не только в ооцитах, но и во всех клетках зародыша; 2. гены рРНК встраиваются в хромосомы и стойко сохраняются в ряду клеточных поколений; 3. магнификации могут подвергаться не только гены, кодирующие рРНК, но и гены, кодирующие белки.
Возникает вопрос: каким образом хромосомная ДНК упаковывается в интерфазную и митотическую хромосому? В последнее десятилетие выяснено, что эукариотические хромосомы имеют несколько уровней организации, соответствующих уровням компактизации ДНК. От этой организации в значительной мере зависят и другие элементарные генетические процессы. Комплекс ДНК с белками, имеющий специфическую структурную организацию, получил название хроматина, которое ранее применялось для обозначения вещества хромосом. Существенные элементы хроматина — нуклеосомы, дисковидные частицы 10 нм в диаметре. Нуклеосомы образуются в результате взаимодействия четырех классов основных белков — гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4, причем молекулы двух последних гистонов могут in vitro формировать тетрамер, к которому присоединяются два димера — Н2А и Н2В. Участок двойной спирали ДНК образует 1 3/4 оборота вокруг так называемой сердцевины нуклеосомы. Этот участок ДНК, непосредственно связанный с сердцевиной, имеет постоянную длину, равную 140 п.н. В то же время межнуклеосомные линкеры (связки) варьируют по длине от 15 до 100 п.н. и даже больше. Таким образом, закручивание ДНК вокруг нуклеосомы уменьшает ее длину в семь раз. Еще один тип гистонов — Н1 — непосредственно в формировании нуклеосом не участвует. Он прикреплен к линкеру обоими своими концами и стабилизирует связь нуклеосом, образующих спираль более высокого порядка — соленоид, диаметр которого 25—50 нм. Конденсация ДНК в структуре соленоида дополнительно (к нуклеосомному уровню) уменьшает ее длину в шесть раз. В интерфазных хромосомах путем еще одного цикла конденсации соленоиды образуют полые трубочки диаметром 200 нм, что уменьшает длину ДНК еще в 18 раз.
В метафазе вследствие дальнейшей конденсации возникает большая образованная дезоксинуклеопротеидом спираль диаметром около 600 нм. В результате строго упорядоченной иерархии спиралей, в основе которой лежит нуклеосома, в митозе и мейозе хромосомы эукариот совершают цикл компактизации — декомпактизации. Следствие этого цикла — укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключенной в них молекулы ДНК в 103—104 раз. По-видимому, цикл компактизации — декомпактизации регулируется белками хроматина негистонового типа. Возможно, что некоторые из них выполняют и структурную роль, образуя элементы каркаса метафазных хромосом.
У ДНК- содержащих вирусов, бактерий, сине-зелёных водорослей, а также в самореплицирующихся органеллах клеток у эукариотов, т.е. в пластидах, митохондриях и т.д. хромосома представляет собой голую двуспиральную молекулу ДНК. Молекула эта у некоторых форм линейна, но у большинства концы её соединены так, что она образует кольцо, которое закручено в шпильку, и хромосома сверхспирализована.
Репликация этих хромосом – молекул ДНК начинается с определённой точки и прогрессирует, пока не закончится репликация всей хромосомы. Длина молекул ДНК, служащих хромосомами вирусов, прокариотов и клеточных органелл, составляет от 0,4 до 1 мк у мелких вирусов и кинетопластов, 5-100 мк у других вирусов, пластид и митохондрий и достигает 1000-2000 мк у бактерий. У большинства РНК-содержащих вирусов хромосома представлена голой однонитевой молекулой РНК, которая подобно однонитевой ДНК превращается в заражённой клетке в репликативную двунитевую молекулу. Однако известны и вирусы с двунитевой молекулой РНК. У бактерий геном организован в компактное тело, называемое нуклеотидом.
В отличие от прокариотов в хромосомах эукариотов молекулы ДНК имеют гигантские размеры, длина их может достигать нескольких сантиметров. У эукариотов хромосома состоит из множества репликонов, т.е. в хромосоме есть множество определённых точек, с которых начинается репликация ДНК. Обычно возле каждой такой точки инициации образуются две вилки репликации и синтез новой нити ДНК идёт в обе стороны до концов данного репликона. В эухроматиновых учатках хромосом репликация всех репликанов происходит более или менее одновременно, гетерохроматиновые же участки реплицируются с опозданием. Длина репликона у эукариотов колеблется от 10 до 150 микронов, что соответствует приблизительно 20-300 тысячам пар нуклеотидов. В хромосоме бывает от 200-300 до более 1000 репликонов. В геноме дрозофилы насчитывается, по-видимому, свыше 1000 репликонов, в геноме человека их около 37000.
Список литературы:
Сайт www.biology-gen.ru