Том 1 (1129743), страница 69
Текст из файла (страница 69)
4.9, б).Ядерная оболочка позволяет многим белкам, которые взаимодействуют с ДНК,скапливаться в тех местах внутриклеточного пространства, где они необходимы,и, как мы увидим в последующих главах, она также удерживает ядерные и цитозольные ферменты отдельно друг от друга, что крайне важно для надлежащегофункционирования клеток эукариот.
Разделение пространства клетки на полости,или компартментализация, примером чего служит ядро, является важным принципом биологии; это необходимо для обеспечения среды, в которой протеканиебиохимических реакций облегчается за счет высокой концентрации и субстратов,и ферментов, на них воздействующих. Кроме того, такое обособление пространственных областей препятствует ферментам, необходимым в одной части клетки,попадать в выстроенные биохимические пути в другой ее части.ЗаключениеГенетическая информация содержится в линейной последовательностинуклеотидов ДНК. Все молекулы ДНК суть двойные спирали, образованныеиз двух комплементарных нуклеотидных цепей, скрепляемых одна с другойводородными связями между парами оснований G–C и А–T.
Дублирование генетической информации происходит путем использования одной из цепей ДНК вкачестве матрицы для формирования комплементарной ей цепи. Генетическаяинформация, хранимая в ДНК организма, содержит инструкции для всех белков,которые организм будет когда-либо синтезировать, и, как говорят, составляетего геном. У эукариот ДНК расположена в ядре клетки — крупном, окруженноммембраной компартменте.4.2. Хромосомная ДНК и ее упаковка в хроматиновое волокноСамая важная функция ДНК — нести в себе гены, а в них — информацию,которая определяет все белки и молекулы РНК, из которых строится организм, —включая информацию о том, когда, в какого типа клетках и в каком количествекаждый белок должен быть выпущен в жизнь.
Геномы эукариот поделены нахромосомы, и в данном параграфе мы увидим, как гены обычно располагаютсяна хромосомах. Кроме того, мы опишем специализированные последовательностиДНК, которые требуются хромосоме для точного ее дублирования и передачи отодного поколения к следующему.Перед нами стоит также серьезная задача разобраться в принципах упаковки344Часть 2.
Основные генетические механизмыРис. 4.10. Полный набор хромосом человека. Эти хромосомы, некогда принадлежавшие мужскомуорганизму, были выделены из клетки, претерпевающей деление ядра (митоз), и поэтому сильно уплотнены. Каждая из этих хромосом была «раскрашена» своим цветом, чтобы обеспечить ее однозначноеопознавание в поле светового микроскопа. Для раскрашивания хромосом вводят молекулы ДНК человека, меченные флоуресцентными красителями, которые взаимодействуют с хромосомами. Например,молекулы ДНК, полученные из хромосомы 1, метят одной определенной комбинацией красителей,выделенные из хромосомы 2 — другой, и так далее.
Поскольку меченая ДНК может образовыватьпары оснований, или гибридизироваться, только с той хромосомой, из которой она была извлечена(все пояснения — в главе 8), разные хромосомы окрашиваются по-разному. Для таких экспериментовхромосомы подвергают обработке различными препаратами, которые разделяют двуцепочечную ДНКна отдельные нити и работают так, что допускают спаривание с основаниями однонитевой меченой ДНКи сохраняли структуру хромосомы относительно неповрежденной.
а) Хромосомы, как мы их видим сразупосле лизиса клетки. б) Те же хромосомы, искусственно выстроенные в порядке их нумерации. Такой вотполный набор хромосом называют кариотипом. (Заимствовано из E. Schröck et al., Science 273:494–497,1996. С любезного разрешения издательства «AAAS».)ДНК. Если бы двойные спирали всех 46 хромосом, находящихся в клетке человека, можно было бы выстроить конец в конец, то они достигли бы длины около 2метров; хотя ядро, в котором содержится вся эта ДНК, имеет лишь около 6 мкм вдиаметре.
Геометрически это равносильно упаковке 40 км (24 мили) чрезвычайнотонкой нити в теннисный шар! Столь сложная задача упаковки ДНК блестящерешается специализированными белками, которые связываются с ДНК и сворачивают ее, образуя ряд спиралей и петель, которые обеспечивают все более и болеевысокие уровни организации и не допускают спутывания ДНК в гордиев узел.Что удивительно, хотя ДНК свернута очень туго, она уложена таким образом,что остается доступной для многих ферментов в клетке, которые ее реплицируют,восстанавливают и используют заложенные в ней гены для производства молекулРНК и белка.4.2.1. ДНК эукариот упакована в набор хромосомУ эукариот находящаяся в ядре ДНК разделена на отдельные хромосомы.Например, геном человека — примерно 3,2·109 нуклеотидов — распределен по 24-мразличным хромосомам.
Каждая хромосома состоит из одной чрезвычайно длиннойлинейной молекулы ДНК, связанной с белками, которые свертывают и упаковываюттончайшую нить ДНК в более компактную структуру. Комплекс ДНК с белкомГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 345Рис. 4.11. Картины полосчатости хромосом человека. Хромосомы с 1-й по 22-ю пронумерованы в приблизительном порядке их размера. Типичная соматическая клетка человека (не из зародышевой линии)содержит по две копии каждой из этих хромосом плюс две половые хромосомы: две X-хромосомыу женских особей и X- с Y-хромосомой у представителей мужского племени.
Хромосомы, идущие насоставление таких карт, были окрашены на раннем этапе митоза, когда они не полностью уплотнены.Красная горизонтальная линия представляет положение центромеры (см. рис. 4.21), которая имеет видперетяжки на митотических хромосомах. Красные вздутия на хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22 показывают позиции генов, которые кодируют молекулы большой рибосомной РНК (обсудим в главе 6). Такиекартины получают путем окрашивания хромосом красителем Гимза, и их можно наблюдать в световоймикроскоп.
(Желающих ознакомиться с микрофотоснимками отсылаем к рис. 21.18; переработано изU. Franke, Cytogenet. Cell. Genet. 31: 24–32, 1981. С любезного разрешения издательства Karger.)называют хроматином (от греческого слова chroma, означающего «цвет») в силуего способности окрашиваться.
В дополнение к белкам, участвующим в упаковкеДНК, хромосомы связаны также и с многочисленными молекулами белка и РНК,необходимыми для протекания процессов экспрессии генов, репликации ДНК ивосстановления ДНК.Бактерии выделяют своим генам лишь одну-единственную молекулу ДНК, чащевсего кольцевую (см. рис. 1.29). Эта ДНК связана с белками, что упаковывают иуплотняют ДНК, но они отличаются от белков, которые выполняют те же функциина службе у эукариот. Хотя ее и называют нередко бактериальной «хромосомой»,она не имеет той структуры, что хромосомы эукариот, и о способе упаковки бакте-346Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.12.
Аномальная хромосома человека. а) Двепары хромосом, окрашенных красителем Гимза (см. рис.4.11), от пациента с атаксией — болезнью, характеризующейся прогрессирующим нарушением координациидвижения. Этот пациент имеет нормальную пару хромосом 4 (пара слева), но одну нормальную хромосому 12 иодну аберрантную хромосому 12, о чем свидетельствуетее увеличенная длина (пара справа). Дополнительныйматериал, содержащийся на аномальной хромосоме 12 (красная скобка), как было узнано по ее картинеполос, представляет собой копию отрезка хромосомы 4, который оказался прикрепленным к хромосоме 12 в результате события неправильной рекомбинации, называемого хромосомной транслокацией.б) Рисунок тех же двух пар хромосом, «раскрашенных» красным для ДНК хромосомы 4 и синим для ДНКхромосомы 12. Два этих метода приводят к одному и тому же заключению о природе ненормальнойхромосомы 12, но раскрашивание хромосом обеспечивает лучшее разрешение и позволяет тем самымточно опознавать даже короткие части хромосом, претерпевших транслокацию.
Однако окрашиваниепо Гимза проще в выполнении. (Переработка из E. Schröck et al., Science 273: 494–497, 1996. С любезногодозволения издательства AAAS.)риальной ДНК известно гораздо меньше. Поэтому наше исследование структурыхромосом будет почти полностью сосредоточено на хромосомах эукариот.За исключением зародышевых клеток (обсудим их в главе 21) и клеток нескольких высокоспециализированных типов, которые не могут размножаться и ктому же не содержат ДНК (например, красные клетки крови), все клетки человекасодержат по две копии каждой из хромосом: одна из копий наследуется от матери,а вторая — от отца. Материнские и отцовские хромосомы соответствующих парназывают гомологичными хромосомами (гомологами).
Единственные негомологичные пары хромосом — половые хромосомы у мужских особей, когда Y-хромосоманаследуется от отца, а X-хромосома заимствуется у матери. Таким образом, общеечисло хромосом в каждой клетке человека — 46 — это 22 пары, имеющиеся каку мужских, так и у женских особей (они называются аутосомами — прим.ред.),плюс две так называемые половые хромосомы (X и Y в мужских организмах, двеX — в женских). Гибридизация ДНК представляет собой методику, в которойнить меченой нуклеиновой кислоты служит «зондом», который отыскивает комплементарную нить, о чем будет подробно написано в главе 8. Эта методика можетбыть использована для различения хромосом человека путем «раскрашивания» ихв разные цвета (рис. 4.10).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
