Тема 10. ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Хромосомы. Носителем наследственной информации в живых организмах являются молекулы ДНК. В 1953 г. Дж.Уотсон и Ф.Крик предложили модель структуры ДНК, которая с тех пор многократно проверялась и признана правильной.

Нативная молекула ДНК представлена двумя длинными поли­мерными цепями, соединенными между собой и закрученными в форме двойной спирали.

Основная структурная единица одной цепи — нуклеотид. Он состоит из соединенных ковалентньши связями дезоксирибозы, азотистого основания и фосфатной группы. ДНК содержит пури-новые азотистые основания (аденин и гуанин) и пиримидиновые основания (цитозин и тимин). Азотистое основание ковалентио соединено с первым атомом углерода дезоксирибозы и формирует структуру, называемую нуклеозидом. Фосфатные группы соединя­ют соседние нуклеозиды в полимерную цепочку. Сцепление между цепями обеспечивается особыми водородными связями между аденином (А) и тимином (Т) и между гуанином (Г) и цитозином (Ц). Водородные связи много слабее ковалентных, соединяющих отдель­ные атомы каждого нуклеотида, но достаточно сильны, чтобы обес­печить специфичность образования пар А—Т, Г—Ц. Такие специ­фичные пары азотистых оснований называются комплементарны­ми. Комплементарность азотистых оснований — один из основных принципов организации молекулы ДНК. Две полимерные депи молекулы ДНК соединены между собой антипараллельно.

Нуклеиновые кислоты — очень длинные полимерные цепоч­ки. Интактные молекулы ДНК содержат в зависимости от вида орга­низмов от нескольких тысяч до многих миллионов нуклеотидов. Для любой последовательности азотистых оснований возможна равная ей по длине комплементарная последовательность, составляющая вторую цепь двойной спирали. Конкретная последовательность пар А—Т и Г—Ц не влияет на структуру молекулы ДНК, образующей двойную спираль. Возможное число различных последовательнос­тей пар оснований в молекуле ДНК практически бесконечно и спо­собно кодировать колоссальное количество информации.

Поскольку цепи ДНК комплементарны, каждая из них при рас-плетании двойной спирали способна служить матрицей для синте­за новой комплементарной цепи.

Последовательность оснований во вновь синтезируемой цепи будет определяться спецификой водо­родных связей между азотистыми основаниями родительской и вновь синтезируемой цепи. Таким образом, генетическая информация, содержавшаяся в последовательности пар оснований родительской молекулы, будет полностью воспроизведена в двух дочерних молекулах. Более того, если в процессе удвоения ДНК произошла ошибка и какой-либо нуклеотид во вновь образуемой цепи выпал или оказался некомплементарным исходному, то это может изменить информационное содержание молекулы. Причем логично ожидать, что эта ошибка будет передана дочерним молеку­лам ДНК в следующих поколениях. Такая замена пары нуклеотидов будет обладать свойствами генетической мутации. Модель структуры ДНК Уотсона и Крика объясняет как способность генов к самоудвоению (репликации), так и их информационные свойства.

Молекулы ДНК в эукариотических клетках упакованы с помо­щью белков и находятся в составе хроматина в ядре.

Белки, входящие в состав хроматина, разнообразны. Обычно их разделяют на две группы: гистоны и негистоновые белки. Гистоны, характерные только для эукариотических клеток, осуществляют первые этапы упаковки ДНК, очень схожие у большинства изучен­ных объектов. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет ион­ных связей и не зависит от последовательности нуклеотидов в со­ставе молекулы ДНК. Гистоны не отличаются большим разнообра­зием. Это глобулярные белки, представленные 5-ю - 7-ю типами молекул. Наиболее известны следующие классы гистонов: HI, H2A, Н2В, НЗ и Н4. Их основные свойства определяются относительно высоким содержанием аминокислот лизина и аргинина. Положи­тельные заряды на аминогруппах указанных аминокислот обеспе­чивают электростатическую связь гистонов с отрицательными за­рядами на фосфатных группах ДНК.

Первый этап упаковки ДНК в хроматине осуществляется с по­мощью нуклеосом. Молекула ДНК накручивается на поверхность множества белковых частиц, каждый раз делая 1,75 оборота вокруг сердцевины. Сердцевина нуклеосомы всегда консервативна и со­держит восемь молекул - по две молекулы гистонов Н4, НЗ, H2A, Н2В. По поверхности сердцевины располагается участок ДНК из 146 нуклеотидных пар. Небольшой участок ДНК между нуклеосо-мами остается несвязанным с сердцевиной, он называется линке­ром. Общий вид хроматина, представленного молекулой ДНК, упа­кованной с помощью нуклеосомных структур, можно сравнить с бусами на нитке. Первый нуклеосомный уровень компактизации укорачивает молекулу ДНК в 6-7 раз.

В следующий этап упаковки нуклеосомная структура хромати­на вовлекается с помощью гистона HI, который связывается с линкерной частью ДНК и поверхностью нуклеосомы. Благодаря слож­ному взаимодействию всех компонентов, возникает упорядоченная структура спирального типа, которую часто называют соленоидом. Она повышает компактность ДНК еще в 40 раз. Такая спирализация ДНК может играть роль фактора, инактивирующего гены. Под электронным микроскопом соленоид выявляется в виде фибрилл хроматина.

Более высокие уровни компактизации ДНК в хроматине связа­ны с негистоновыми белками. Некоторые из них специфично свя­зываются с определенными участками ДНК, в результате чего фибриллы хроматина в местах связывания ДНК с негистоновыми бел­ками образуют петли. Таким образом, более высокие уровни упаковки ДНК в составе хроматина обеспечиваются не спирализацией нитей хроматина, а образованием поперечной петлистой струк­туры вдоль хромосомы.

На всех указанных этапах компактизации ДНК хроматин пред­ставлен в активной форме, в нем происходит транскрипция - син­тез всех типов молекул РНК. Такой хроматин называют эухроматином. Дальнейшая упаковка хроматина ведет к переходу его в не­активное состояние с образованием гетерохроматина. Этот процесс связан со спирализацией групп петель и образованием из фибрилл хроматина розеткоподобных структур, которые называются хромомерами. Дальнейшая суперспирализация хроматина приведет к об­разованию хромосом. В настоящее время считается, что в состав каждой хромосомы входит одна двуспиральная молекула ДНК, ко­торая может удваиваться при подготовке клеток к делению, после чего каждая из двух одинаковых молекул упаковывается независи­мо, образуя хроматиды. Хроматиды соединяются между собой в районе первичной перетяжки, или центромеры.

Центромеры выполняют в хромосомах очень важные функции. Они соединяют две сестринские хроматиды, также велика их роль в организации веретена деления. В районе центромеры к хроматидам прикрепляются микротрубочки веретена деления. Центромера располагается внутри гетерохроматического района, где находится сателлитная ДНК, представленная кластерами высокоповторяющихся последовательностей. Одновременно с этим внутри центро­меры выявляются уникальные последовательности, которые, веро­ятно, несут информацию о расхождении хромосом к противополож­ным полюсам клетки.

Концы хромосом называются теломерами. Они также выполня­ют важные функции. Когда деление клетки закончено и формиру­ются новые клеточные ядра, с помощью теломер хромосомы при­крепляются к внутренней ядерной мембране, в результате чего каж­дая хромосома в деспирализованном состоянии занимает в ядре строго определенное место. Помимо этого, теломерные районы пре­дотвращают слипание хромосом своими концами и препятствуют образованию дицентриков — хромосом с двумя центромерами, на­личие которых свидетельствует о патологических картинах мито­за. Одновременно теломеры стабилизируют хромосомы, защищая их от деградации клеточными нуклеазами. В последнее время ста­ло известно еще одно назначение теломерных концов. Благодаря им, происходит полное завершение редупликации хромосом при подготовке клетки к делению.

Хромосомы, состоящие из двух хроматид, выявляются во время деления клеток. В Них генетический материал неактивен. В период между клеточными делениями хромосомы частично раскручивают­ся, деспирализуются, переходят в состояние хроматина, и гены, во­шедшие в состав эухроматина, активно работают.

Участки ДНК, упакованные в виде гетерохроматина, могут иметь двоякую природу. Различают гетерохроматин факультативный и конститутивный (структурный). Факультативный гетерохроматин представляет собой участки генома, временно инактивированные в тех или иных клетках. Примером такого хроматина служит поло­вой гетерохроматин инактивированной Х-хромосомы в соматичес­ких клетках женщин. Структурный гетерохроматин во всех клет­ках постоянно находится в неактивном состоянии и, вероятно, вы­полняет структурные или регуляторные функции.

Таким образом, упаковка ДНК в составе хроматина и хромосом имеет двоякое значение. С одной стороны, происходит упорядочен­ное укорачивание длинных молекул, с другой — изменяется актив­ность генов в зависимости от плотности компактизации ДНК, т.е. чем более суперскручена молекула, тем менее активны гены, нахо­дящиеся в этой структуре. В частности, активность митотических хромосом практически равна нулю.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: