Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Биохимия Р.Марри

.pdf
Скачиваний:
354
Добавлен:
20.05.2015
Размер:
31.31 Mб
Скачать

70

Глава

РНК, которые должны быть удалены в процессе со­ зревания, обеспечивающеrо также и правильную стыковку (сплайсинr) кодирующих cerмeHToB в зре­ лых мРНК. Большинство последовательностей,

транскрипты которых представлены в зрелой мРНК,

разорваны в reHoMe от одноrо до пятидесяти раз не­

кодирующими вставками (иитронами). Как правило,

интроны значительно длиннее, чем кодирующие

участки (экзоны). Процессинr первичноrо транскрип­ та, включающий удаление интронов и сплайсинr со­ ответствующих экзонов, описан в rл. 39.

Функция интронов точно не установлена. Можно предположить, что они служат для физическоrо раз­ деления экзонов, соответствующих функциональ­ ным доменам кодируемых белков, с целью оптими­

зации процесса rенетических перестроек (рекомбина­

ций), которые MorYT происходить с более высокой эффективностью при наличии нитронов, чем в слу­

чае сосредоточения rенетической информации в од­ ном континууме. Увеличение темпа rенетических

перестроек функциональных доменов может рассма­ триваться как фактор ускорения эволюции биолоrи­

ческих функций.

Повторяющиеся последовательности ДИК

ПОД повторяющимися последовательностями

ДНК (повторами) понимается широкий спектр как

умеренно повторяющихся, так и часто повторяю­

щихся (высокоповторяющихся) последовательно­ стей ДНК. ПО крайней мере 20-30% reHOMa челове­

ка представлено повторами.

Высокоповторяющнеся последовательности со­

стоят из участков длиной в 5-500 пар оснований,

повторяющихся MHoro раз и расположенных один за

дрyrим (тандемно). Эти последовательности обычно

образуют кластеры и присутствуют в количестве от 1 до 10 миллионов копий на rаплоидный reHoM. Вы­

сокоповторяющиеся последовательности транс­

крипционно-неактивны и, вероятно, участвуют

в структурировании хроматина.

)Тмеренно повторяющнеся последовательности,

присутствующие в количестве менее чем 1О (j копий на rаплоидный reHoM, не образуют кластеров, а че­ редуются с неповторяющимися (уникальными) по­

следовательностями. Они MorYT быть как коротки­

ми, так и весьма протяженными. Длинные дисперrи­

рованные повторы состоят из 5000-7000 пар осно­

ваний и представлены в количестве 1000-100000 ко­ пий на rаплоидный reHoM. Они фланкированы

с обоих концов прямыми повторами длиной в 300600 пар оснований (рис. 38.8). Во мноrих случаях

38

 

Дnинн",,, диcnеprИРОIIIIНН...Й повтор

 

15-7 , ..,СА'! пер основен....)

r -______________ ________________,

 

А

ав-с

ивс

~~----------------------------------

~

~~----------------------------------

~

О'I1'с'

а'В'С'

~

~

'----

пов,ор'"~M_~

(300-600 пар основений)

Рис. 38.8. Схема ДЛИННОГО диспергированного повтора. От·

мечено расположение на концах повтора коротких прямых

повторов (аЬс) и соответствующих комплементарных

участков (а'Ь'с').

друrа фраrментов длиной от единиц (нескольких

пар) до нескольких сотен пар нуклеотидов. Короткие повторы активно транскрибируются либо как ком­

поненты интронов, либо под контролем ДНК­

зависимой РНК-полимеразы III как самостоятель­ ные элементы (см. rл. 39). Наиболее мноrочислен­

ным семейством коротких дисперrированных повто­ ров в reHoMe человека является семейство Alu, насчи­

тывающее около 500000 копий на rаплоидный re-

ном, что составляет 3-60/0 от общеrо размера reHo- ма человека. Повторы этоrо семейства (а также их

аналоrи у животных) транскрибируются и в составе rяРНК, и в виде дискретных молекул РНК, включая

хорошо изученные 4,5S-PHK и 7S-PHK. TaKoro типа

последовательности высококонсервативны как вну­

три данноrо вида, так и у разных видов млекопитаю­

щих. По своей структуре короткие дисперrирован­ ные повторы, в том числе члены семейства Alu, на­

поминают длинные концевые повторы ретровирусов

(LTR). По-видимому, это мобильные элементы, спо­

собные как встраиваться, так и вырезаться из раз­

личных участков reHoMa (см. ниже).

ИЗМЕНЕНИЯ И ПЕРЕСТРОЙКИ

ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Изменения последовательности пуриновых и пи­ римидиновых оснований, вызванные заменой, уда­ лением или вставкой одноrо или более нуклеотидов,

MorYT привести к изменению продукта данноrо re-

на-- в большинстве случаев белка. Последствия по­ добных изменений (мутаций) rенетическоrо материа­

ла описаны в rл. 40.

Рекомбинация хромосом

длинные повторы транскрибируются РНК­

Гомолоrичные хромосомы прокариот и эукариот

полимеразой II в виде молекул мРНК, содержащих

MorYT обмениваться rенетическим материалом. Об­

такие же кэпированные 5'-концы, как и мРНК.

мен или рекомбинация происходит в клетках млеко­

Короткие диспергированные повторы представ­

питающих rлавным образом при меЙозе. Этому со­

ляют семейства родственных, но отличных дрyr от

бытию предшествует попарное выстраивание rOMo-

 

Организация и реnликация днк

71

 

логичных хромосом, причем, как правило, этот про­

 

цесс происходит с очень высокой точностью. Про­

..........J:rr~.........

цесс кроссинговера схематически изображен на рис.

 

38.9. Он заключается в эквивалентном взаимном об­

 

мене генетической информацией между гомологич­

 

ныIии хромосомами. Если гомологичные хромосо­

 

мы несут различные аллели одного и того же гена, то

 

в результате кроссинговера может произойти замет­

 

ное и наследуемое изменение признаков. В редких

 

случаях, когда при конъюгации гомологичные хро­

 

мосомы располагаются друг относительно друга не

 

совсем точно, может произойти неравный кроссин­

 

говер, в результате которого

будет иметь место

неэквивалентный обмен информацией. При этом од­ на из хромосом теряет часть генетической информа­

ции и. следовательно, несет делецию. Вторая хромо­

сома получает большее количество генетического

материала и, следовательно, несет вставку или ду­

1

л

--~:::::=:=======

Рис. 38.9. Процесс кроссинговера гомологичных хромосом

и образование рекомбинантных хромосом.

пликацию (рис. 38.9). Неравный кроссинrовер у чело­ века показан на примере гемоглобинов, названных Лепоре (Lepore) и анти-Лепоре. Он может происхо­ дить в тандемных участках повторяющейся ДИК, например в последовательностях глобиновых генов или же в последовательностях более представитель­ ного семейства повторов ДНК (рис. 38. 1О). Этот фе­

номен ответствен за увеличение или уменьшение

числа копий повторов данного семейства.

Хромосомная интеграция

Некоторые бактериальные вирусы (бактериофа­ ги) способны рекомбинировать с ДНК хозяина та­ ким образом, что ДНК бактериофага встраивается в линейной форме в бактериальный геном. Интегра­ ция бактериофага происходит по механизму, пред-

 

 

--i

Gy

Ау

 

8

~

 

 

 

Н

/

 

 

t-

 

 

 

 

 

 

анти-Лепоре

 

Gy

Ау

:

&

 

~

 

 

-..:f

~ G

Ау

х 1--

 

 

y

 

 

~

 

 

 

 

 

 

-..:f

1-

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

Gy

 

Ау

&8

 

Лепоре

Рис. 38.10. Неравный кроссинговер в области структурных генов гемоглобинов человека. Продукты HepaBHoro кроссинго­ вера: глобиновые reHbl типа дельта-бета Лепоре и бета-дельта анти-Лепоре В приведенных примерах показано располо­

жение кроссоверных областей. (Reproduced, with pennission, from Clegg J. В.• Weatherall D. J. J3 O-thalassemia: Time for reappraisal? Lancet 1974, 2: 133.)

72

ставленному в упрощенном виде на рис. 38.11. При

этом имеют место разрыв и соединение обеих моле­

кул ДНК с соблюдением полярности. Следователь­

но, интеграция сопровождается линеаризацией­

переходом кольцевой молекулы ДНК бактериофага

в линейную форму. Известны два механизма инте­ грации генома бактериофага с бактериальным гено­

мом. Если ДИК бактериофага содержит участки, го­

мологичные бактериальной ДНК, используется ме­

ханизм, аналогичный рекомбинации ГОМОЛОГИЧНЫХ хромосом. Другой вариант интеграции осуществля­

ется бактериофагами, которые синтезируют белки,

направляющие процесс специфического связывания определенных участков последовательности (сайтов)

бактериальной хромосомы снегомологичными сай­

тами в фаговой ДНК. Интеграция с помощью тако­

го механизма носит название «саЙт-специфическоЙ».

Многие вирусы животных, особенно онкогенные

вирусы, могут встраиваться в геном млекопитаю­

щих либо непосредственно, либо, в случае РНК­

вирусов через ДНК-транскрипты. Интеграция вирус­

ной ДНК в хромосомы животных, как правило, не

является саЙт-специфическоЙ.

8

 

АОСI

 

 

:

2

 

в

 

 

I

Аас

I

1

8

2

 

~A

I

 

 

2

С

8

Д

I

I

I I

 

 

2

Рис. 38.11. Встраивание кольцевого reHOMa (содержашего reHbI А. В. С) в хозяйскую молекулу ДНК (содержащую re- ны 1 и 2) и порядок чередования reHOB в рекомбинантной цепи днк.

Транспозиции

В эукариотическом геноме имеются небольшие

элементы ДНК, не являющиеся провирусами, но

способные самостоятельно вырезаться из хозяйско­

го генома, а затем встраиваться в различные его

участки, влияя при этом на функции прилегающих

последовательностей ДНК. ЭТИ подвижные (моби­

льные) элементы, которые иногда называют «пры­

гающая ДНК», могут перемещать фрагменты хро­ мосомной ДНК и таким путем глубоко воздейство­ вать на процессы эволюции генома. Как указыва­

лось выше, семейство коротких AIu-повторов харак­

теризуется наличием структурного сходства с конце­

выми последовательностями ретровирусов, благо­

даря которым последние могут встраиваться в ге­

ном млекопитающих и покидать его.

Прямым доказательством транспозиций других

небольших элементов ДИК в геноме человека яви­

лось открытие так называемых «процессированных

генов» иммуноглобулинов, а-глобинов и некоторых

других. Процессированные гены идентичны или поч­ ти идентичны последовательностям зрелых мРНК

данных генов. Они состоят из нетранскрибируемого 5'-участка гена, кодирующей области без интронов и poly А-последовательности на 3'-конце. Появление

процессированных генов можно объяснить только

интеграцией обратных транскриптов соответствую­

ЩИХ зрелых мРНК. Судя по всему, единственным возможным способом внедрения таких обратных транскриптов является транспозиция. Действитель­

но, оба конца процессированных генов фланкирую­

тся короткими повторами, сходными с теми, кото­

рые имеют мобильные элементы низших организ­ мов. Некоторые из процессироваНIIЫХ генов содер­ жат случайным образом распределенные изменения

последовательности, накопившиеся в ходе эволю­

ции. Подобные изменения часто приводят к образо­ ванию nonsense- (бессмысленных)-коДонов, препят­

ствующих экспрессии (см. гл. 40). Такие процессиро­

ванные гены называют псевдогенами.

Генная конверсия

Кроме неравного кроссинговера и транспозиций существует и третий механизм быстрых изменений

генетического материала. Одинаковые последовате­

льности гомологичных или негомологичных хромо­

сом могут формировать случайные пары, а несовпа­

дающие участки-удаляться. В результате происхо­

дит закрепление определенного варианта повторов

данного семейства. Этот процесс получил название генной конверсии.

Диплоидные клетки эукариотических организмов

(в том числе человека) после прохождения S-фазы

клеточного цикла содержат тетраплоидный набор

хромосом. Каждая из сестринских хроматид (хромо-

Организация. и реnликаци.ч ДНК

73

\

Рис. 38.12. Обмен между сестринскими хроматидами у че­

ловека. Окраска хромосом по Гимза после двух циклов ре­

пликации в присутствии бромдезоксиуридина. (Courtesy of

S. Wolff and J. Bodycote.)

сомных пар) содержит одну и ту же генетическую ин­ формацию, поскольку обе они- результат полукон­ сервативной репликации родительских ДИК­

молекул. Между этими генетически идентичными

хроматидами может происходить кроссинговер. Об­ мен генетической информацией между сестринскими хроматидами (рис. 38.12) проявляется в форме рав­ ного кроссишовера и не имеет каких-либо генетиче­

ских последствий.

Некоторые интересные генетические перестройки

происходят в клетках млекопитающих в ходе норма­

льного развития и дифференцировки. Например,

в клетках зародышевой линии мыши гены VL и CL,

кодирующие единичную цепь молекулы иммуногло­

булина (см. гл. 41), разнесены в геноме на значитель­ ное расстояние. В ДНК зрелых иммуноглобулин­ продуцирующих (плазматических) клеток эти же ге­

ны оказываются на более близком расстоянии и транскрибируются в составе единого первичного транскрипта. Однако и после перестройки ДИК в хо­ де дифференцировки последовательности этих генов

непосредственно не смыкаются. Между ними распо­

лагается промежуточная некодирующая последова­

тельность (интрон) длиной около 1200 пар основа­

ний, которая удаляется из первичного транскрипта при процессинге в ходе созревания мРНК (см. гл. 39

и 41).

СИНТЕЗ И РЕПЛИКАЦИЯ ДИК

Основное функциональное значение процесса ре­

пликации ДНК заключается в снабжении потомства

генетической информацией. Для обеспечения генети-

ческой стабильности организма и вида ДНК должна

реплицироваться полностью и с очень высокой точ­

ностью. Процесс репликации ДНК весьма сложен.

В нем участвует множество ферментов. Первое энзи­

мологическое исследование репликации ДНК было проведено Артуром Корнбергом, открывшим в E<t- cherichia coli фермент, ныне называемый ДНК­

полимеразой 1. Этот фермент проявляет несколько типов ферментативной активности и характеризуе­ тся сложной структурой. В качестве субстратов ДНК-полимераза 1 использует дезоксирибонуклео­ зидтрифосфаты- производные аденина, гуанина,

цитозина и тимина. Полимеразная активность, впе­

рвые продемонстрированная для ДНК-полимеразы 1, свойственна остальным полимеразам прокариоти­

ческих и эукариотических клеток, при этом важно

помнить, что основной функцией ДНК-полимеразы 1 Е. coli, как было установлено, является репарация ДНК.

Инициация синтеза ДИК

Для инициации синтеза ДНК (рис. 38.13) требую­

тся короткие (10--200 нуклеотидов) последователь­

ности РНК, выполняющие функции затравок (прай­ меров). Синтез начинается с реаКllИИ между 3'-

гидроксильной группой РНК-затравки и (1-

фосфатной группой дезоксирибонуклеозидтрифо­

сфата, в ходе которой дезоксирибонуклеозидный остаток присоединяется к РНК-затравке с одновре­

менным выщеплением пирофосфата. 3'-гид­

роксильная группа присоединенного дезоксирибону­

клеозидмонофосфата осуществляет далее нуклеофи­

льную атаку на о-фосфатную группу следующего встраивающегося дезоксирибонуклеозидтрифосфа­

та, также с отщеплением пирофосфата. Естественно,

что выбор очередного нуклеотида на каждом шаге

синтеза определяется матричной цепью ДНК соглас­

но правилам, предложенным впервые Уотсоном и Криком (рис. 38.J4). Так, если в соответствующем

положении матричной цепи находится остаток аде­

ниндезоксирибонуклеозидмонофосфата, то в реак­ цию будет вступать тимидинтрифосфат и его

а-фосфатная группа будет атаковаться 3'-

гидроксильной группой последнего остатка расту­

щей цепи. Реакция происходит только в том случае,

если встраиваемый нуклеотид образует комплемен­

тарную пару с очередным нуклеотидом матричной

цепи ДНК и благодаря водородным связям зани­ мает положение, при котором 3'-гидроксильная груп­

па растущей цепи атакует новый нуклеотид и вклю­

чает его в полимер. Последовательности ДНК, при­

соединенные к РНК-затравкам, были названы по

имени открывшего их японского ученого­

фрагментами Оказаки (рис. 38.15). У млекопитаю­ щих после образования значительного числа фраг­

ментов Оказаки репликационный комплекс присту-

74

Глава 38

Рис. 38.13. Инициация синтеза ДИК РИК-затравкой и последующее присоединение второго дезоксирибонуклеозидтрифо­ сфата.

Организация и реnликация ДНК

75

ДНК-матрица

Растущая цепь ДН К

"';

Рис. 38.14. Матричная функция ДИК-цепи при инициированном РНК-затравкой синтезе комплементарной цепи

Матричная цепь

 

 

 

 

5'

з1 --------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

51----

 

 

 

 

."--3'

РНК-

Вновь син­

IOп.н.

IOн.п

тезированная

"""1_...-._+1__--- 100 П.Н·---""8ooI1

t--i

затравка

 

 

цепьДНК

 

 

 

 

 

~......_-----

..v.

---------}

 

 

 

 

 

 

 

Фрагмент Оказаки

Рис. 38.15. Прерывистая полимеризация дезоксирибонуклеотидов и образование фрагментов Оказаки.

пает к удалению РНК-затравок и заполнению обра­ зующихся брешей соответствующими дезоксирибо­ нуклеотидами. Затем с помощью ДНК-лиrазы фраг­ менты «сшиваются» между собой с образованием непрерывной цепи ДНК.

Полярность реllЛllК8ЦИИ

сти В одном И том же направлении одновременно.

Несмотря на это противоречие, один и тот же фер­

мент осуществляет практически синхронный синтез

обеих цепей. При этом цепь, синтезируемая в на­ правлении 5'-+ 3' «(лидирующая»), оказывается непре­ рывной. Синтез второй «(отстающей») цепи осу­ ществляется фрагментами по 150-200 нуклеотидов. Очередные акты инициации синтеза этих фрагмен­

Как уже отмечалось, молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей. Репликация ДНК у про- и эукариот происходит одновременно на обеих цеПJIХ. Однако фермента, ведущего синтез ДНК в на­ правлении 3'-+5', не существует, и, следовательно,

вновь синтезируемые цепи, казалось бы, не могут ра-

тов, происходящего в каждый данный момент также

в направлении 5' -+ 3'•осуществляются по мере общего

продвижения реlШИКационной вилки в одном направ­

лении. Схема «DолунепрерывногО» синтеза ДНК представлена на рис. 38.16.

При репликации ядерной ДНК млекопитающих

76

Глава 38

Точка начаnа репnикации

3' ------:""~"""'----5'

5' ---------....

,,-----------3'

/",:!5'

~J

Общее направnение репnикации

Рис. 38.16. Процесс полунепрерывной. одновременной репликации обеих цепей двухцепочечной ДИК.

большая часть РИК-праймеров в конце процесса

у) осуществляет репликацию кольцевого генома ми­

удаляется, между тем при репликации митохондриа­

тохондриЙ.

 

льного генома небольшие фрагменты РНК остаются

Полная репликация генома млекопитающих за­

интегрированными в замкнутой кольцевой молекуле

канчивается за 9 часов-

время, необходимое для уд­

ДИК.

воения генетического материала диплоидной деля­

 

щейся клетки. Такая

скорость свидетельствует

Ферменты полимеризации и репарации ДИК

В ядрах клеток млекопитающих имеется класс

полимераз, так называемых полимераз альфа (Pol а), ответственных за хромосомную репликацию. Одна

молекула Pol n способна включать в растущую цепь около 100 нуклеотидов в секунду, таким образом она

функционирует примерно в десять раз медленнее,

чем бактериальная ДНК-полимераза. Снижение ско­ рости может объясняться помехами со стороны ну­ клеосом. Как ДИК-полимераза преодолевает ну­

клеосомы - неизвестно. Однако известно, что после

завершения репликации соответствующие нуклеосо­

мы оказываются распределенными случайным обра­

зом в обеих дочерних цепях.

В ядрах клеток млекопитающих обнаружена так­

же ДИК-полимераза с меньшей. нежели у Pol n, мо­ лекулярной массой-полимераза бета (Pol р), кото­

рая не участвует в обычном процессе репликации, но

необходима для репарации ДИК (см. ниже). Еще од­

на. митохондриальная, ДНК-полимераза гамма (Pol

"Репnикационный пузыpto"

Э'

5'

Расплетающие белки в

репnикационных виnках

о том, что репликация начинается сразу на многих

участках, называемых точками начала репликации

и обозначаемых ori (от англ. оrigiп-начало). Таких

точек (сайтов) насчитывается около 100. Репликация происходит в двух направлениях, и обе цепи репли­

цируются одновременно. При этом на хромосоме

образуются так называемые «репликационные пузы­

рю> (рис. 38.17).

СаЙты. выполняющие роль точек начала репли­

кации у эукариот, определены не достаточно четко.

Более полные данные в этом плане имеются для

дрожжей и нескольких вирусов животных. Можно

сказать с уверенностью, что процессы инициации

контролируются как в пространственном аспекте,

так и во временном, поскольку соседние кластеры ori

инициируются синхронно. Существует представле­

ние о том, что функциональные домены хроматина

реплицируются как целостные единицы. При этом

подразумевается, что точки начала репликации

расположены вполне определенным образом по от­

ношению к единицам транскрипции.

То"ка начаnа репnикации

5'

Э'

.. ..

Нlправnёния репnикlции

Рис. 38.17. Образование «репликационных пузырей» в процессе синтеза дик. Показаны двунаправленность репликации и предполагаемое расположение белков, расплетающих цепь. в репликационных вилках.

Организация и реnликация ДНК

Рис. 38.18. Гипотетическая схема действия белка, специфич-

 

ного к одноцепочечной ДНК в репликационной вилке. ПО

З'

мере синтеза второй цепи белок высвобождается и присое­

 

диняется к вновь образованным участкам одноцепочечной

 

днк. (Courtesy of В. Alberts.)

 

77

ОС)

O~

t

5'

З'

t

СТ8ДИЯ 1

+ дТР = -®---®---0

(ДМР·фермент)

Одноцепо..е"н",Й разр....

о Э'

)0\

3'

lr-

С-И.2 !'-E--®---®--@

E

5'

о

н

Оп

l---tP

о

Е

Фермент .носит

• • ,одноцепо..е"н",Й разр....

03

н

3' 5'

11

5'

Е

с__зL~

! - 'АМРI

РеП8РИРО.8НН...Й раlр....

Реперироаанн",й разр....

Рис. 38.19. Сравнение двух типов реакций, репарирующих одноцепочечные разрывы днк. Реакции, представленные слева,

кзтализируются ДНК-лигазоЙ. а представленные СПРdва- ДНК-ТОlIоизомеразоЙ. (Slightly modified and reproduced, with

permission from Lehninger А. L.: Biochemistry, 2nd ed. Worth, 1975.)

78

Глава 38

При репликации двухцепочечная ДНК должна

разойтись на индивидуальные цепи с тем, чтобы

каждая из них могла функционировать в роли ма­ трицы. Разделению цепей ДНК содействуют молеку­

лы специфических белков, стабилизирующих одно­

цепочечную структуру при продвижении реплика­

ционной вилки. Стабилизирующие белки стехиоме­ трически связываются с одиночной цепью, не мешая

при этом нуклеотидам выступать в роли матрицы

(рис. 38.18). Наряду с разделением цепей должно происходить и раскручивание спирали (1 оборот на каждые 1О нуклеотидов), сопровождаемое скручива­ нием вновь синтезированных дочерних цепей. Учи­

тывая время, за которое происходит репликация

у прокариот, можно рассчитать, что молекула ДНК

должна раскручиваться со скоростью 400000 об/сек, что совершенно невозможно. Следовательно, дол­

жны существовать множественные «шарниры»' ра­

сположенные по всей длине молекулы ДНК. Шар­

нирные функции выполняет специальный фермент (ДНК-топоизомераза), вносящий разрывы в одну из цепей раскручиваемой двойной спирали. Разрывы

быстро зашиваются этим же ферментом без допол­

нительных энергетических затрат, поскольку необхо­

димая энергия запасается в форме макроэргической

ковалентной связи, возникающей между сахарофо­ сфатным остовом цепи ДНК и топоизомеразоЙ. Представленную на рис. 38.19 схему этого процесса можно сравнить с последовательностью событий сшивания разрыва в ДНК, катализируемых ДИК­ лигазой. ДНК-топоизомеразы ответственны также за раскручивание суперспирализованной ДНК. Су­ перспирализованная ДНК - это высокоупорядочен­

ная структура, образуемая кольцевыми или сверх­

длинными молекулами ДИК при закручивании во­

круг гистонового кора (рис. 38.20).

Один из классов вирусов животных (ретровирусы) обладает ферментами, способными синтезировать

молекулу ДНК по матрице РНК. РНК-зависимая ДНК-полимераза, или обратная транскриптаза (тако­ во название этого фермента), сначала синтезирует РНК-ДНК-гибрид, используя рибонуклеиновый ге­

ном вируса в качестве матрицы. Затем фермент РНКаза Н удаляет РНК-цепь, а оставшаяся ДНК­

цепь в свою очередь служит матрицей для синтеза

второй цепи ДНК. Таким образом возникает кДИК - двухцепочечная ДНК-копия, содержащая информацию, первично представленную в виде РНК-генома ретровируса.

Регуляция синтеза ДИК

.---- --

Рис. 38.20. Суперскручивание ДИК Левозакрученная то­

роидная (соленоидная) сверхспираль (слева) превращается

в правозакрученную при удалении цилиндрического ядра.

Аналогичный переход происходит при разрушении нуклео­

сом в случае экстракции гистонов концентрированными со-

левыми растворами.

периодами (рис. 38.21). Первичная регуляция клет­

кой синтеза собственной ДИК заключается в том.

что репликация происходит в строго определенное

время и в основном в клетках, готовящихся к деле­

нию. В регуляции вступления клетки в S-фазу уча­

ствуют циклические пуриновые нуклеотиды и, воз­

можно, сами субстраты синтеза ДНК. Механизм та­

кой регуляции остается неизвестным. Многие онко­

вирусы способны ослаблять или разрушать внутрен­ ние информационные связи, контролирующие всту­ пление клеток в S-фазу. И в этом случае механизм остается неясен, хотя, возможно, он включает фо­ сфорилирование определенных белковых молекул хозяйской клетки.

В S-фазе клетки млекопитающих содержат боль­

шее количество полимеразы а, чем в несинтетиче­

ские периоды клеточного цикла. Кроме того, в s-

фазе усиливается активность ферментов. участвую­

щих в образовании субстратов синтеза ДНК (дезок­

сирибонуклеозидтрифосфатов). Активность этих ферментов падает при выходе из S-фазы и остается

В клетках животных и человека репликация ДНК

на низком уровне вплоть до поступления сигнала

происходит только в определенный период жизни

к возобновлению синтеза ДНК. В S-фазе происходит

клетки. Этот период называется синтетическим (так

полная и строго однократная репликация ядерной

называемая S-фаза). S-фаза отделена от митоза

ДНК. Создается впечатлен~е, что реплицированный

предсинтетическим (а,) и постсинтетическим (а2)

хроматин каким-то образом маркируется, в резуль-

Оргаllизация и реnликация ДНК

79

)--======:::Jf-- Митоз

Рис. 38.21. Цикл деления клеток млекопитающих. Фаза синте­

за ДНК (S-фаза) отделена от митоза периодами 01 и 02'

(Стрелкой указано направление цикла клеточного развития.)

тате чего создаются помехи для дальнейшей репли­

кации до тех пор, пока клетка не пройдет митоз.

Можно предположить, что в качестве такого кова­

лентного маркера выступают метилъные группы

(т. е. маркирование ДИК осуществляется за счет ее

метилирования).

Как правило, каждая данная пара хромосом ре­

плицируется одновременно и в строго определенный

промежуток S-фазы. Природа сигналов, регулирую­ щих синтез ДИК на этом уровне, неизвестна, но, по­

видимому, таким механизмом регуляции обладает

каждая индивидуальная хромосома.

Деградация и репарация ДИК

Передача наследственной информации в неиска­

женном виде - важнейшее условие выживания как

каждого конкретного организма, так и вида в целом.

Следовательно, в ходе эволюции должна была сфор­

мироваться система, позволяющая клетке исправ­

лять нарушения ДИК, вызванные ошибками репли­ кации или повреждающими воздействиями окру­ жающей среды. Подсчитано, что в результате пов­

реждений, обусловленных этими причинами, в гено­

ме клеток зародышевой линии человека происходит

в среднем шесть нуклеотидных замен в год. По­

видимому, в соматических клетках за год происхо­

дит примерно такое же число мутаций.

Как описано в гл. 37, основным условием точной

репликации является правильное образование пар нуклеотидов. Точность комплементарных взаимо­ действий зависит от того, находятся ли пуриновые

и пиримидиновые нуклеотиды в благоприятной для спаривания таутомерной форме (рис. 34.7). В равно­ весии концентрация благоприятных таутомерных

форм нуклеотидов превышает концентрацию небла­ гоприятных таутомеров в 104-105 раз. Этого явно недостаточно для обеспечения безошибочного узна­ вания. Вот почему в клетках бактерий и млекопи­

тающих существует специальная система монито­

ринга точности спаривания нуклеотидов. Этот этап

проверяется дважды: первый раз - при включении

дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в растущую

цепь и второй раз- уже после включения, с исполь­

зованием энергозависимого механизма удаления

ошибочно встроенных нуклеотидов из вновь синте­ зированной нити ДИК. Благодаря такому контролю

ошибки включения происходят не чаще чем 1 раз на

108-109 пар оснований. В клетках Е. coli этот меха­ низм обеспечивается ДИК-полимеразоЙ. оБJ1'aдаю­ щей 3' -+ 5'-экзонуклеазной активностью. В то же время ДИК-полимеразы млекопитающих не обла­

дают явно выраженной корректирующей нуклеазной

активностью.

Физические и химические факторы окружающей среды вызывают в ДИК повреждения четырех типов (см. табл. 38.2). Поврежденные участки могут быть подвергнуты репарации, замещены путем рекомби­ нации или остаться без изменений. В последнем слу­

чае возникают мутации, потенциально ведущие к ги­

бели клетки. Возможность репарации и замещения базируется на избыточности информации закодиро­ ванной в структуре двухспиральной ДИК: дефектная область одной цепи ДИК может быть исправлена по

неповрежденной комплементарной цепи. Ключевой момент всех рекомбинационных и ре­

парационных событий- распознавание дефекта. со­

провождающееся либо непосредственной репара­ цией, либо маркированием для последующего ис­

правления. Термолабильность N-гликозидной связи пуринов приводит К депуринизации ДИК с частотой около 5000--10000 на клетку (в день) при 370 С. Ме­

ста депуринизации узнаются специальными фермен-

Таблица 38.2. Типы повреждений ДНК

1.Затрагивающие едиllliЧllые lIуклеоmиды А. Депуринизация

Б. Дезаминиrование цитозина до урацила

В. Дезаминирование аденина до гипоксантина Г. Алкилирование оснований Д. Вставка или делеция нуклеотида

Е. Включение основания-аналога

11.Затрагивающие пару lIуклеотидов

А. УФ-индуцируемое образование тиминовых димеров

Б. Поперечные сшивки бифункциональным алкили­

рующим агентом

111. Разрывы цепей А. Ионизирующая радиация

Б. Радиоактивная дезинтеграция каркаса ДНК

IV. ПоnереЧllые сшивки

А. Между основаниями одной цепи или разных цепей Б. Между ДИК и молекулами белка (например. гисто­

нами)

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]