И.Ф. Жимулёв - Общая и молекулярная генетика (1117666), страница 81
Текст из файла (страница 81)
После открытия структуры ДНК и механизмов ее репликации А. М. Оловников (рис. 9.46) в России заинтересовался загадкой 270 ОБЩАЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА 3' 3 5' 3' э 3' Гзц Удаление я праймсра Схема исдорепликации конечной части молекулы ДНК (ХаЫац, 1997). Нрямоугольииками иа отстающей цепи изображены РНК-цряймсры длиной 8-12 пи. Короткие стрелки — фрагменты Ояязаки организации репликации на конце молекулы ДНК. Дело в том, что каждая хромосома содержит единственную непрерывную молекулу ДНК, и концы этой молекулы совпадают с концами хромосомы. В соответствии со стандартной моделью репликации ДНК процесс удвоения отстающей цепи ДНК начинается с синтеза коротких РНК-праймеров, или затравок, с 3'-концов которых синтезируются отрезки ДНК - — фрагменты Оказаки (рис. 9.47).
Затем РНК-праймер удаляется, образовавшиеся бреши (гэпы) заполняются фрагментами ДНК. Последние синтезируются, используя в качестве праймеров 3'-концы фрагментов Оказаки. Поскольку для синтеза крайнего фрагмента нет праймера, вновь образованная цепь оказывается на 8-12 нуклеотидов (длина РНК-праймера) короче исходной. В результате после каждого цикла репликации молекула ДНК должна становиться все короче: одна из четырех цепей укоротилась на 8 — 12 пн, т. е.
на одном из концов хромосомы средняя длина цепей ДНК (двух материнских и двух вновь синтезированных) уменьшилась на 2 — 3 пн. Поэтому А. М. Оловников пришел к выводу, что если в клетке нет особых механизмов, компенсирующих потери нуклеотидов с каждого конца нити ДНК, то хромосома начнет укорачиваться: сначала должны исчезнуть теломерные районы, затем ближайшие к теломерам гены, потом более удаленные гены и т. д.
Очевидно, что этот процесс должен в конце концов привести к гибели клетки. Действительно, у клеток, например, человека, растущих в культуре (!и и!гго), есть лимит на число делений. Американским ученым Л. Хейфликом в 1965 г. было показано, что, если для культивирования взять клетки у новорожденных, они могут пройти 80 — 90 деле- ний, клетки, взятые у 70-летних, делятся только 20--30 раз.
Ограничение на число клеточных делений называют барьером Хейфлика. Обычно клетки не преодолевают барьер из 20-90 делений, а в среднем, по мнению Хейфлика, он составляет 50 ь10. А. М. Оловников в 1971 г. предложил следующую формулу для расчета продолжительности жизни любого клона клеток ьч и!!гтк где Т вЂ” — срок предстоящей жизни клеток; !г-- коэффициент корреляции между сроком жизни клона клеток и числом репликаций ДНК;!!— длина теломерного участка; !т --- длина фрагмента ДНК, утрачиваемого в ходе каждого цикла репликации; и — число уже прошедших репликаций. Таким образом. Оловников напрямую связал срок жизни клеточных клонов с длиной теломерной ДНК.
Далее он предположил, что «в качестве временной защиты концевых репликонов, локализующихся вблизи торцов хромосомы, клетка должна использовать телогены, которые находятся на торцах теломер», а также что «телоген, функция которого оставалась неясной, — это неинформационный ген, имеющий .,буферную" функцию и монотонную нуклеотидную последовательность... он укорачивается в митозах и тем самым защищает информационные гены от усечения при репликации» (Оленников, 1971).
О том что укорочение концевого фрагмента ДНК реально, свидетельствуют результаты следующего опыта. При мобилизации перемещений транспозона из теломерного районаХ-хромосомы дрозофилы в последнем обнаружены терминальные делеции, удаляющие наиболее дистальные последовательности ДНК. В следующих поколениях в линиях с такими делециями монотонно уменьшается длина концевых фрагментов ДНК (от теломеры к центромере) со скоростью 50- 100 (в среднем 75) пар нуклеотидов за одну генерацию (рис. 9.48).
Полагают, что размер утрачиваемого фрагмента коррелирует с размером РНК-праймера, инициирующего синтез фрагментов Оказаки при репликации ДНК. Если учесть, что клетки полового пути у дрозофилы в течение одного поколения делятся примерно 35 раз, совпадение расчетной длины фрагментов, утерянных за одно поколение„и экспериментальных данных оказалось поразительным.
В нормальных же хромосомах, в которых теломеры присутствуют, укорочение длины молекулы ДНК не происходит. 271 Глава 9. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ХРОМОСОМ ПТ276 1)Т473 КТ672 ВТ733 Едизабст Блакберн (р. 1948) 0 6 12 18 24 30 36 42 Уменьшение размеров фрагмента концевой ДНК в Х-хромосоме дрозофиды в линиях с тедомерными делсцнями КТ27Гь КТ473, КТ624 и КТ733.
[В)еззшвпп, Ма«оп, 1988. — — Из: Жимудсв, 1993. С, 212]. Но оси абсцисс — время с начала цвбвюдснин [мсс.), по оси ординат — размер концевого фрагмсптв Рзл в хромосомах с делениями (в тпн) 9.б.2. Строение телоятер Молекулярно-генетическое изучение теломер осложняется тем, что число их в каждой клетке невелико: по две в каждой хромосоме (другиыи словами, 8 теломер на 1,7 эх 10' пн генома дрозофилы или 46 теломер на 3 х 1О" пн генома человека) )Те! ошегез, 19951. Подход к решению проблемы выделения теломерной ДНК был найден неожиданно.
Цитологи, изучавшие развитие простейших одноклеточных животных из класса С)11а)а, таких как, например, всем известная инфузория- туфелька, обнаружили у каждого организма по два ядра --.микронуклеус и макронуклеус. Микронуклеус является покоящимся ядром, в котором хромосомы находятся в компактном состоянии. Он служит для передачи наследственного материала из поколения в поколение. Другое дело — макронуклеус.
Это трофическое ядро. Хромосомы там находятся в активном состоянии — на них синтезируется РНК, кодирующая белки„необходимые для роста и жизнедеятельности этого одноклеточного организма. На начальных этапах развития инфузории хромосомный материал макронуклеуса испытывает серию сложных превращений. Сначала хромосомы политенизируются, т. е. каждая реплицируется примерно десять раз и все вновь образованные хромосомы остаются тесно связанными друг с другом, образуя пучок хромосом, или, как в таких случаях говорят, политенную хромосому с характерным рисунком темных хромомеров и светлых межхромомерных участков. Затем политенная хромосома как бы разрезается поперек на тысячи долек, в каждой из которых находится один или несколько хромомеров.
Каждая долька одевается в особую белковую оболочку, формируя пузырек. Таким образом, на этой стадии развития созревающий макронуклеус состоит из тысяч пузырьков, в каждом из которых заключен один или несколько хромомеров. В пузырьках происходит «созревание» наследственного материала (см. разд. 7.7,3, 9,7.3); из фрагмента хромосомы удаляется и переваривается вся ДНК, не имеющая прямого отношения к кодированию наследственной информации, например, межгенные фрагменты, внутренние участки генов, не кодирующие белки 1интроны), а также мобильные элементы генома. Затем пузырьки разрываются, и их содержимое выходит в полость макронуклеуса, который превращается, по образному выражению Д.
Прескотта, исследователя этих процессов, в «мешок с генами». И наконец, самое важное: к каждому из этих генов присоединяется по одной теломерной последовательности с каждого конца. В итоге в макронуклеусе в общей сложности присутствует несколько миллионов теломер. Наличие «мешка с генами», в котором находятся только индивидуальные гены, предоставляет уникальные возможности для их выделения и последующего биохимического анализа.
гзг ОБ!ЦАЯ 1Л МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА Тайтак(а 9.3. Тедомерные повторы в хромосомах некоторых видов (Те)ошегех„1995. Р. 12 — 13) Твксон, вилы Простейшие Слизнсвыс гриб|а Жгу тиковые Споровики Г!1и(ты Еир!о(ек РЪихогит Тйур ан ах оюа Р!ахьчойивз А(еигокрага Саит(гг)а в~а!(ока з(хсагй Нематоды Насекомые Водоросли Высшие растении 1 1озвопочпые животные ВонзЬух гиок! С!Ыагн(йошоваз АкаЬи(орзй !!тпа хар(анх В 1978 г. Е.
Блакберн (рис. 9.49) и Дж. Голл, выделив из макронуклеуса инфузории тетрахимены («мешка с генамин) фрагмент ДНК длиной 22 тпн, содержа(ций два сцепленных друг с другом гена рибосомной РНК, и применив еще только набиравшую популярность методику определения последовательностей нуклеотидов в молекулах ДНК, установили, что на обоих концах этой пары генов находится относительно простая последовательность из цитидина и аденозина, а во второй цепи ДНК вЂ” соответственно гуанозина и тимидина, т. е. на концах генов была последовательность 5'-ССССАА-3' ! 3'-ООСзбТТ-5'„повторенная несколько раз подряд. У двух других видов, 5(у!олусЬ!а и Охугг!с!(гз, как было показано несколько позже, они похожи: ССССАААА! ббббТТТТ (Те!о(пегеж ! 995!.
В последние годы с помощью различных биохимических методик теломеры были выделены из ДНК многих организмов. Оказалось, что у большинства видов животных н растений теломерные районы имеют в целом очень похожее строение. Как правило, в состав тело- мерного района входят два типа фрагментов: собственно конечная часть хромосомы (нли теломерный концевой повтор — ТК) и последовательность, связанная с теломерой (ТАБ), которая располагается проксимальнее (рис. 9.50). Как уже было отмечено, у инфузории тетрахимены самая концевая часть ДНК содержит многократно повторенную последовательность гексануклеотида 5'-ССССАА-375'-ТТОООО-3', при этом последовательность ориентирована так, что ТТОООО-повторы находятся на 3'-конце одной цепи ДНК, в то время как ССССАА- повторы формируют 5'-конец другой цепи.
Для удобства первую из цепей называют О-цепью, вторую - — С-цепью. Последовательности нЭ кпеотидов (5' - 3') ТТТТ(збб(з ТТТАббб ТТАббб ТТ!Т!С)Аббб ТТАббб АСббАТбСАСзАСТССзСТТббТСзТ ТТАббС, ТТАбб ТТТТАббб ТТТАббС ТТАбб К настоящему времени известно, что теломерные фрагменты у большинства живых существ очень схожи, они обогащены нуклеотидамн О и С, которые располагаются в определенной, похожей у всех организмов последовательности (табл. 9.3). Несколько отличается структура ТК у некоторых видов грибов и особенно сильно — у дрозофилы (см. ниже). Кроме инфузории тетрахимены, теломерные повторы изучены у многих других представителей простейших, в том числе у стилонихии и окситрихи, у которых повторяющейся единицей является октамер 5'-ССССАААА-3'! 3'-ООООТТТТ-5'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
