Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Повсей вероятности, в стабилизации структуры хромосомы высших порядков участвуют различные негистоновые белки. Например, в лишенных гистонов метафазныххромосомах выявляется центральный белковый остов, окруженный множествомочень длинных петель ДНК (рис. 29.10). Повидимому, эти петли ДНК закреплены наостове. Такая организация может иметьважное значение для передвижения хромосом в митозе и мейозе.29.7. Репликация эукариотической ДНКначинается во многих местах и идетв двух направленияхПодобно другим молекулам ДНК, эукариотическая ДНК реплицируется полуконсерва29.
Хромосомы и выражениегенов у эукариот133Рис. 29.10.Электронная микрофотография ДНК, с которой удаленыгистоны. ДНК прикрепляетсяк центральному белковомуостову. Гистоны удалили изметафазных хромосом клетокHeLa, обработав их полианионами. (Печатается с любезногоразрешенияд-раUlrichLaemmli.)тивно. Кроме того, реплицированная ДНКполуконсервативно распределяется междусестринскими хроматидами метафазныххромосом (рис.
29.11). Методом электронной микроскопии было показано, что репликация эукариотической ДНК начинается вомногих точках и идет в двух направлениях.Использование многих точек инициации необходимо для быстрой репликации, так какэукариотические ДНК имеют огромнуюдлину. Например, самая длинная хромосо134Часть IV.Информацияма дрозофилы содержит ДНК длиной2,1 см, или 62000 kb.
Репликационная вилкаДНК дрозофилы движется со скоростью 2,6kb/мин (сравните со скоростью движениявилки у Е. coli 16 kb/мин). Если бы в самойбольшой хромосоме дрозофилы существовала только одна точка начала репликации,то ее удвоение заняло бы более 16 сут. Насамом деле время репликации составляетменее 3 мин. Это достигается кооперативным действием более чем 6000 репликационных вилок на одну молекулу ДНК.
Молекула ДНК из ядра дрозофилы, находящегося на стадии дробления, представляетсобой набор следующих один за другимучастковрепликации,или«глаз»(рис. 29.12). Активирование каждой точкиинициации порождает две расходящиеся репликационные вилки. Расширяющиесяв обоих направлениях «глаза» сливаютсяи образуют две дочерние молекулы ДНК(рис. 29.13). «Глаз» внутри другого «глаза»никогда не наблюдался. Из этого следуетчто начало репликации не может снова реактивироваться, пока не закончится реплика-Рис. 29.11.Флуоресцентная микрофотография метафазных хромосоммужчины.
ДНК в клеткахдваждыреплицироваласьв среде, содержащей аналог тимидина 5-бромдезоксиуридин(BrdU). Хромосомы сначалаокрасили хинакрином (А),отмыли и снова окрасили бисбензимидазольнымкрасителем Хехст 33258 (Б). BrdU тушит флуоресценцию второгокрасителя, поэтому сестринские хроматиды, содержащиеДНК, в которой только однаполинуклеотидная цепь замещена BrdU, флуоресцирует ярче, чем ДНК с BrdU в обеих цепях. (Печатается с любезногоразрешения д-раSammuelLatt.)ция всей молекулы ДНК.В эукариотических клетках имеютсяДНК-полимеразы трех типов (табл.
29.3).α-Полимераза играет основную роль в репликации хромосомы, а β-фермент участвует в репарации ДНК. Когда покоящиесяклетки начинают быстро делиться, количество α-полимеразы возрастает более чемв 10 раз. γ-Полимераза отвечает за репликацию митохондриальной ДНК. Как и прокариотические ДНК-полимеразы, эти ферменты используют в качестве активированныхпредшественниковдезоксирибонуклеозидтрифосфаты и осуществляютэлонгацию затравки по матрице в направлении 5'—>3'. Но в отличие от прокариот эукариотические ДНК-полимеразы не обладаютРис. 29.12.Электронная микрофотография реплицирующейся хромосомной ДНК из дробящегосяядра эмбриона дрозофилы.«Глаза» - только что реплицированные участки.
(Печатаетсяс любезного разрешения д-раDavid Hogness.)29. Хромосомы и выражениегенов у эукариот135Рис. 29.13.Схематическое изображениерепликации эукариотическойхромосомы.РодительскаяДНК показана синим цветом, новообразованная ДНКкрасным.нуклеазной активностью. Скорее всегофункцию исправления ошибок выполняютнуклеазы, ассоциированные с этими полимеразами в мультиферментных комплексах.Рис. 29.14.136Фазы клеточного цикла эукариотической клетки: митоз(М); фаза покоя 1, перед синтезом ДНК (G l ); период синтезаДНК (S); фаза покоя 2, послесинтеза ДНК (G2). Продолжительность фаз зависит от типаклеток и условий культивирования. Митоз - обычно самаякороткая фаза.Часть IV.Информация29.8. Новые гистоны образуютновые нуклеосомы на отстающейдочерней цепи ДНКВ репликационных вилках синтез ДНК идетв направлении 5'—>3' по одной дочерней цепи и в направлении 3'—>5' по другой.
Каки при репликации прокариотической ДНК(разд. 24.19), это происходит следующимобразом: одна цепь, ведущая, синтезируетсянепрерывно, а другая, отстающая,- прерывисто. Как распределяются старые и новыегистоны? Чтобы решить этот вопрос, синтезДНК проводили в присутствии ингибиторабелкового синтеза циклогексимида. В этихусловиях синтез ДНК прекращается в течение примерно 15 мин. При действииДНКазы I половина новообразованнойДНК полностью распадается, а другая половина расщепляется на фрагменты длиной200 пар оснований.
Этот эксперимент, а также данные, полученные с помощью меткитяжелыми изотопами, показали, что родительские гистоны ассоциированы толькос одной из двухспиральных дочерних ДНК,тогда как другая остается голой из-за отсутТаблица 29.3. Эукариотические ДНК-полимеразыТипЛокализацияОсновнаяфункцияМасса,кДаαЯдроРепликацияядерной ДНК140Репарацияядерной ДНК40βγ»МитохондрииРепликациямитохондриальной ДНК150ваются на отстающей цепи по той причине,что до соединения фрагментов Оказаки онасодержит одноцепочечные участки.Рис.
29.15.Асимметричная репликационная вилка, возникшая в результате синтеза ДНК в присутствии циклогексимида, блокирующего образование новыхгистонов. Одна из дочернихмолекул ДНК покрыта бусинами, другая остается голой. Этопоказывает, что родительскиегистонысвязанытолькос одной из дочерних молекул.[Riley D., Weintraub H., Proc.Nat. Acad. Sci., 76, 331 (1979).]ствия новых гистонов. Эта интерпретациянаходит прямое подтверждение на электронных микрофотографиях, где видно, чтов области репликационной вилки одна издочерних нитей покрыта бусинами, а другая - нет (рис.
29.15). Иными словами, родительские гистоны распределяются во времярепликации консервативно1. Такое поведение гистонов показывает, что гистоны не отделяются от ДНК во время репликации.Старые гистоны остаются на двухцепочечной ДНК, содержащей ведущую цепь, тогдакак новые гистоны садятся на ДНК, содержащую отстающую цепь. Причина этогоразличия между дочерними молекуламиДНК заключается, очевидно, в том, что гистоны гораздо прочнее связываются с двухцепочечной ДНК, чем с одноцепочечной.Старые гистоны, по-видимому, не удержи1Недавно этот вывод подвергался серьезнойкритике в связи с тем, что по некоторымданным циклогексимид нарушает нормальноераспределение гистонов во время репликации.—Прим. перев.29.9. Митохондрии и хлоропласты содержатсобственную ДНКНе вся наследственная информация эукариотических клеток содержится в ядернойхромосомной ДНК.
В результате генетических исследований дрожжей был открыт митохондриальный геном, отличный от ядерного генома. В 1949 г. Борис Эфрусси (BorisEphrussi) обнаружил, что некоторые мутанты пекарских дрожжей не способнык окислительному фосфорилированию. Этидефектные по дыханию мутанты медленнорастут за счет брожения. Они называютсяpetites (что по-французски означает «маленькие»), так как образуют очень маленькие колонии.
Генетический анализ привелк неожиданному открытию, что мутацииpetites сегрегируют независимо от ядра; этонавело на мысль о том, что митохондрииобладают собственным геномом. И действительно, через несколько лет в митохондриях была обнаружена ДНК. Более того,митохондриальная ДНК из штамма petiteотличалась по плавучей плотности от митохондриальной ДНК дрожжей дикого типа;из этого следовало, что у мутанта измененазначительная часть митохондриального генома.
Вслед за этим было показано, что хлоропласты фотосинтезирующих эукариот тоже содержат ДНК и что она реплицируется,транскрибируется и транслируется.Митохондриальная ДНК животных клеток - кольцевая двухцепочечная молекулас контурной длиной около 5 мкм, что соответствует 15 kb. Дрожжевая митохондриальная ДНК обычно примерно в 5 раздлиннее, а хлоропластная - в 10 раз длиннее.Молекулы ДНК в митохондриях и хлоропластах не связаны с гистонами. Они относительно невелики, сравнимы по величинес вирусными геномами. Лучше всего изученмитохондриальный геном дрожжей, кодирующий примерно десять белков, две молекулы рибосомной РНК и около 26 видовтранспортной РНК. Молекулы, кодируемыемитохондриальной ДНК и синтезируемыевнутри этой органеллы, составляют всегооколо 5% митохондриального белка.
Такимобразом, большая часть белков митохондрии кодируется ядерным геномом. Однако29. Хромосомы и выражениегенов у эукариот137генетический вклад митохондриальнойДНК необходим. Например, три из семисубъединиц цитохромоксидазы и три из десяти субъединиц АТРазы внутренней мем-браны митохондрий кодируются митохондриальным геномом. Существование отдельных геномов влечет за собой рядвопросов. Каким образом репликация митохондриальнойДНКкоординируетсяс удвоением хромосом и делением клетки?Как белки, синтезированные в цитозоле,проникают в митохондрии и взаимодействуют с продуктами митохондриальныхгенов? Но самое загадочное состоит в следующем: зачем митохондриям нужны собственные геномы, если 95% их белков кодируются ядерным геномом? Ответов на этиинтригующие вопросы пока нет.29.10.
ЭукариотическаяДНКсодержитмного повторяющихся последовательностейоснованийРис. 29.16.138Электронно-микроскопическое изображение молекулымитохондриальной ДНК, содержащей два генома, соединенных «голова к хвосту»с образованием кольца. Репликация этой молекулы ДНКтолько что началась. Стрелками показаны две петли, расположенныенапротивоположных сторонах кольца. Этипетли с вытесненной цепью(D-петли, от англ. displacement - вытеснение) содержатновосинтезированную ДНК.Более тонкая линия в каждойпетле - вытесненный одноцепочечный участок родительскойДНК. (Печатается с любезногоразрешенияд-раDavidClayton.)Часть IV.ИнформацияРой Бриттен (Roy Britten) и его сотрудникиисследовали кинетику реассоциации ДНК,денатурированной нагреванием, и обнаружили, что эукариотическая ДНК в отличиеот прокариотической ДНК содержитмного повторяющихся последовательностей оснований.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
