Молекулярная структура генетического материала эукариот Количественные особенности генома эукариот

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 E.coli и B. 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 5х10⁴ генов (имеется в виду только суммарная длина кодирующих участков ДНК - экзонов). В то же время, размер генома человека 3х10⁹ 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 обозначают количества ДНК, находящееся в гаплоидном наборе хромосом данного вида.

Нуклеотидные последовательности в геноме эукариот

В конце 60-х годов 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.

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 локусную 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 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. Близкие виды, например мышь и крыса, имеют различные высокочастотные последовательности, у крысы их нуклеотидный состав не отличается от основной ДНК, тогда как геном мыши содержит четкий АТ-богатый сателлит. Это означает, что высокочастотная ДНК способна к быстрым изменениям в ходе видообразования.

Остальные 90% генома эукариот, его эухроматическая часть, построены по принципу чередования (интерсперсии) уникальных и повторяющихся последовательностей. Условно выделяют два основных типа интерсперсии, получивших название по тем видам, у которых они впервые были описаны:

• интерсперсия типа “ксенопус” (обнаружена у Xenopus laevis);

• интерсперсия типа “дрозофила” (впервые описана у D. melanogaster).

Примерно в 50% генома Xenopus laevis уникальные последовательности из 800-1200 п.н. чередуются с повторяющимися, средний размер которых 300 п.н. В остальной части геномов типа “ксенопус” расстояние между соседними повторами значительно превышает 1-2 п.н. Структура генома типа “ксенопус” широко распространена, особенно среди животных. Млекопитающие и человек также относятся к этому типу организации генома. Особенность генома человека и других приматов составляют интерсперсные высокочастотные повторы длиной около 300 п.н. У человека эти повторы содержат сайт, разрезаемый ферментом рестрикции Alu I. Число Alu- подобных повторов в геноме человека достигает 5х10⁵, а по некоторым данным, даже 10⁶.

Alu-подобные последовательности приматов представляют собой частичные дупликации (удвоения) последовательности ВI в геноме грызунов, впервые описанной Г. П. Георгиевым и его сотрудниками.

У D. melanogaster параметры интерсперсии резко отличаются от видов с типом генома “ксенопус”: повторяющиеся последовательности длиной 5600 п.н. чередуются с уникальными, длина которых не менее 13000 п.н. Интересно отметить, что у домашней мухи геном устроен по типу “ксенопус”. Этот факт прямо указывает на то, что в ходе эволюции возможны очень быстрые преобразования характера чередования последовательностей и в эухроматической части генома. Птицы по параметрам интерсперсии занимают промежуточное положение между двумя типами. Как показывают результаты исследования последних лет, многие виды животных и растений по организации генома не могут быть строго отнесены ни к тому, ни к другому типу. Так, в геномах млекопитающих встречаются длинные повторы - в несколько тысяч пар нуклеотидов, в геномах лилейных до 90 % ДНК может быть представлено повторяющимися последовательностями. Например, геном ореха не содержит уникальных последовательностей, превышающих по длине 300 п.н.

Другая особенность повторяющихся последовательностей в геномах эукариот - инвертированные повторы, или палиндромы. В условиях ренатурации они практически мгновенно формируют дуплексные структуры. По существу, палиндромы представляют собой часть промежуточных повторов. Однако некоторые высокочастотные повторы в эухроматической части генома, например члены Alu-семейств, могут встречаться как в прямом, так и в инвертированном положении. Иногда между инвертированными повторами вклиниваются другие последовательности.