Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 39
Текст из файла (страница 39)
L.,Jr., Beatty В. R., J. Cell Physiol.,74 (suppl. 1), 225 (1969).](разд. 29.21). Спейсер (нетранслируемыйучасток) не транскрибируется (рис. 29.22).Соматические клетки лягушек содержатпримерно 500 копий этой повторяющейсяединицы, и все они расположены друг задругом. В процессе оогенеза происходитудивительная избирательная амплификация (увеличение количества) этих генов.Они реплицируются несколько тысяч раз142Часть IV.Информацияи дают примерно 2•106 копий. Количествогенов, кодирующих рРНК, достигает 75%всей ДНК ооцита.
АмплифицированнаяДНК представляет собой внехромосомныекольца, прикрепленные к множеству новыхядрышек. Такая избирательная амплификация гена позволяет ооцитам накопить 1012рибосом, необходимых для очень быстрогосинтеза белка во время дробления. Еслибы амплификации гена не было, образование 1012 рибосом заняло бы нескольковеков!Ген, кодирующий самую маленькую молекулу рибосом - 5S-pPHK, также тандемно повторяется. И соматические клетки,и ооциты содержат около 24000 копийэтого гена, кодирующего молекулу РНКдлиной 120 нуклеотидов.
Эти гены собраны в группы (в кластеры) и располагаются на концах большинства хромосомлягушки. И в этом случае между генамиданной рРНК имеется область нетранскрибируемого спейсера (рис. 29.23). На самомделе спейсер в несколько раз длиннеесамого гена. Любопытно, что он содержитнетранскрибируемый псевдоген, последовательность оснований которого сходна с самим геном.
Роль спейсера в этом и в других эукариотических генах остается загадкой.29.13. Гены гистонов собраны вместеи повторяются тандемно много разКак организованы гены, кодирующие белки? Одними из первых были выделеныи охарактеризованы гены гистонов благодаря изобилию гистоновой мРНК в быстро делящихся эмбрионах морского ежа.Эти морские беспозвоночные развиваютсяот стадии зиготы до стадии бластулы, содержащей 1000 клеток, за 10 ч.
Поэтомудля сборки нового хроматина необходимосинтезировать большое количество гистонов. Действительно, в период раннего эмбриогенеза гистоны составляют более четверти всего синтезированного белка. Гистоновая мРНК содержится в еще большем количестве - на ее долю приходитсяоколо 70% всех информационных РНК,синтезируемых на этой стадии, поэтому еесравнительно легко выделить. После выделения гистоновой мРНК была исследованакинетика ее гибридизации с ДНК морскогоежа для определения числа копий гистоновых генов. Скорость гибридизации былав несколько сот раз выше, чем она должнабыть в случае уникальных последовательностей: это показывало, что для гистоновыхгенов характерна очень высокая повторяе-Рис. 29.24.Световаямикрофотографияэмбриона морского ежа на стадии четырех клеток.
(Печатается с любезного разрешенияд-ра Annamma Spudich.)мостъ. Число копий гистоновых генову различных видов морского ежа колеблется от 300 до 1000. У других организмов повторяемость ниже (табл. 29.4). Число копий гистоновых генов у того или иногоорганизма, по-видимому, коррелируетс потребностью в быстром синтезе гистоновых мРНК.Как организованы в геноме многократноповторяющиеся гены гистонов? Для получения фракции ДНК, обогащенной генамигистонов, использовали тот факт, что этигены содержат больше пар G—С (55%),чем большая часть ДНК морского ежа(42%), и, следовательно, имеют более высокую плавучую плотность. При расщеплеТаблица 29.4. Повторяемость гистоновых генов1Рис. 29.23.Организация генов 5S-pPHKXenopus laevis.
Эти тандемноповторяющиеся гены такжеразделенынетранскрибируемыми спейсерами. Повторяющийся элемент имеет длину примерно 750 пар оснований.ВидЧисло копийМорской ежПлодоваямушка(Drosophilamelanogaster)Шпорцевая лягушка (Xenopus laevis)МышьКурицаЧеловек300-100011020-5010-201030-401У дрожжей Saccharomyces cerevisiae имеется только двагистоновых гена на гаплоидный геном.- П р и м .
перев.29. Хромосомы и выражениегенов у эукариот143Рис. 29.25. Карта сгруппированных в кластеры гистоновых генов морского ежа (Strongylocentrotuspurpuratus) и плодовой мушки(Drosophila melanogaster). Кодирующие участки закрашены синим цветом, спейсеры (нетранскрибируемыеучастки) - желтым. Стрелки показываютнаправлениетранскрипции.нии такой обогащенной ДНК одной из рестриктирующих эндонуклеаз получалисьфрагменты длиной 7kb, которые гибридизовались с гистоновой мРНК. Затем этифрагменты клонировали в клетках Е. coliи исследовали с помощью ферментов рестрикции и электронной микроскопии.
Результаты исследований показали, что гены,кодирующиепятьосновныхгистонов,сгруппированы вместе в составе основногоповторяющегося элемента длиной 7 kb(рис. 29.25). В этом повторяющемся элементе пять кодирующих участков чередуются с пятью спейсерами. Кодирующиепоследовательности не прерываются вставочными последовательностями в отличиеот других эукариотических генов, описанных выше (разд.
26.12). Группа из пятигистоновых, генов повторяется тандемномного раз. Повторы очень сходны другс другом, но не идентичны. Это согласуется с тем, что гистоны H1, H2A и Н2В представляют собой группы очень сходныхбелков, а не совершенно однородные полипептиды. В различных тканях и на разныхстадиях развития экспрессируются различные гистоновые гены.Какова функциональная роль такой организации генов? Их повторяемость, несомненно, имеет важное значение для быстрого синтеза большого количества ги144Часть IV.Информациястоновой мРНК. Но причина, по которойповторы собраны тандемно вместе, неочень ясна.
Соседство генов, кодирующихпять гистонов, может быть, играет важнуюроль в координации их синтеза, чтобы гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4 образовывалисьв эквимолярном количестве, а гистонH1 - в половинном.29.14. Многие белки, синтезирующиесяв больших количествах, кодируютсяуникальными генамиМы уже видели, что гены рибосомныхРНК и гистонов повторяются много раз.Представлены ли гены, кодирующие большое количество продукта, большим числом копий? Для ответа на этот вопрос Доналд Браун (Donald Brown) выделил генфиброина шелка шелковичного червяBombyx mori. Выбор пал на эту систему потому, что мРНК, кодирующая фиброиншелка, имеет характерные структурныеособенности. Она служит матрицей для повторяющихся последовательностей аминокислот, богатых глицином.
Кроме того, гигантские клетки только одного типа синтезируют огромные количества фиброинашелка на определенной стадии развития.Для очистки РНК использовали ее большой размер (9,1 kb) и высокое содержаниеG по сравнению с рРНК и молекуламидругих РНК. Ген фиброина шелка такжебыл частично очищен благодаря его необычно высокой плавучей плотности. Гибридизация очищенной фиброиновой мРНКс ДНК показала, что в гаплоидном геномеимеется только один ген фиброина шелка.Этот результат имел чрезвычайно важное значение для изучения экспрессии генов и дифференцировки у эукариот.
Он показал, что большие количества одногоопределенного белка могут быть синтезированы, даже если в геноме имеется только одна копия кодирующего его гена.Единственный ген фиброина шелка служит29.15. Большинство уникальных геновперемежается повторяющимисяпоследовательностямиРис.
29.26. Шелковичный червь (Фотография любезно представленад-ром Karen Spraque.)матрицей для синтеза примерно 104 молекул мРНК, сохраняющихся в течение нескольких дней. Каждая молекула мРНКслужит матрицей для синтеза порядка 105молекул белка. Таким образом, одного генахватает для синтеза порядка 109 молекулбелка в течение четырех дней.
Создаетсявпечатление, что повторяющиеся гены рибосомных РНК и гистонов скорее представляют собой исключение, чем правило.Единственный ген фиброина шелка гораздотипичнее для генов, кодирующих белки, даже белки, синтезирующиеся в больших количествах. Например, ретикулоциты содержат одну или несколько копий генов,кодирующих субъединицы гемоглобина(разд. 29.26). Подобно этому, большие количества овальбумина - основного компонента яичного белка - синтезируются в яйцеводе пасущихся кур, клетки которогосодержат только одну копию овальбуминового гена на гаплоидный геном.
Однаконе следует упускать из виду и возможностьизбирательной амплификации гена какспособ увеличения синтеза того или иногобелка в клетках определенного типа. Некоторые опухолевые клетки в культуре приобретают устойчивость к аналогам фолиевой кислоты путем синтеза 200-кратногоколичества дигидрофолят-редуктазы посравнению с нормальными чувствительными клетками. Такое количество ферментавозникает вследствие избирательной амплификации гена дигидрофолят-редуктазы.Очевидно, эукариотический геном представляет собой весьма динамичную систему.Примерно 70% ДНК самых разнообразныхэукариот представляет собой уникальныепоследовательности.
Как расположены этиуникальные гены относительно повторяющихся последовательностей? Анализ эукариотических хромосом различными методами показал, что уникальные последовательности обычно чередуются с умеренноповторяющимисяпоследовательностями,длина которых в типичном случае составляет 300 пар оснований. Существует несколько тысяч различных умеренно повторяющихся последовательностей.
Они повторяются в геноме несколько сот раз ив совокупности составляют 20% ДНК.Функция рассеянных, умеренно повторяющихся последовательностей ДНК неизвестна. Возможно, они служат участкамисвязывания специфических регуляторныхмакромолекул, которые могут контролировать транскрипцию соседних уникальныхструктурных генов.29.16 Почти все гены высших эукариот,кодирующие белки, имеют разорванноестроениеСуществование у эукариот повторяющихсягенов и их чередование с уникальными генами не имеют никаких аналогий у прокариот. Еще одно удивительное отличие в организации генома - присутствие у высшихэукариот вставочных последовательностейпрактически во всех генах, кодирующихбелки. Как уже обсуждалось (разд. 26.12),эти вставочные последовательности (интроны) транскрибируются вместе с кодирующими последовательностями (экзонами), а затем удаляются в процессе образования зрелой мРНК.
Число интроновв изученных до сих пор разорванных генахколеблется от 2 до 17 (табл. 29.5и рис. 29.27)1. Некоторые интроны имеютбольшую длину. Например, ген β-глобинамыши содержит интрон длиной 550 пар оснований, т.е. он длиннее, чем его экзоны.Два фрагмента иммуноглобулинового генаразделены еще более длинным интроном - длиной 1250 пар оснований.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
