Том 1 (1129743), страница 85
Текст из файла (страница 85)
4.74. Местоположение конденсина в сжатых митотических хромосомах. а) Полученный при помощи флуоресцентной микроскопии снимок хромосомы человека во времямитоза, окрашенной антителом, которое выявляет местоположение конденсина. В хромосомах, которые столь высокоуплотнены, конденсин, как видно, сосредоточен в точечныхструктурах, расположенных на оси хромосомы. В подобныхэкспериментах показано, что аналогичное местоположениезанимает и ДНК-топоизомераза II — фермент, который производит обратимые двунитевые разрезы в ДНК, что позволяет одной двойной спирали ДНК проходить через другую(см. рис. 5.23). б) Иммунозолотая электронная микроскопияпоказывает местоположение конденсина (черные точки).Здесь хроматида наблюдается в поперечном срезе, то естьось хромосомы перпендикулярна плоскости бумаги.
(Изображение а заимствовано из K. Maeshima and U. K. Laemmli, Dev.Cell 4: 467–480, 2003. С любезного разрешения издательстваElsever. Изображение б любезно предоставлено U.K. Laemmli, опубликовано в K. Maeshima, M. Eltsov and U. K. Laemmli,Chromosoma 114: 365–375, 2005. С любезного разрешенияиздательства Springer.)в том числе большим количеством РНК-белковых комплексов.
После удаленияэтого покрова на электронных микрофотографиях видно, что каждая хроматидаорганизована в петли хроматина, отходящие от центрального каркаса (рис. 4.71).Эксперименты с использованием гибридизации ДНК для обнаружения специфических последовательностей ДНК показывают, что порядок видимых структурныхособенностей по длине митотической хромосомы по крайней мере грубо отражаетпорядок генов на молекуле ДНК.
Таким образом, конденсацию митотической хромосомы можно рассматривать как заключительный уровень в иерархии упаковкихромосомы (рис. 4.72).Компактизация хромосом во время митоза — высокоорганизованный и динамичный процесс, который служит по крайней мере двум важным целям. Во-первых,когда конденсация завершена (в метафазу), сестринские хроматиды «развязываются» и просто пребывают рядом.
Таким образом, сестринские хроматиды могут легкоотделиться, когда митотический аппарат начинает разводить их в разные стороны.Во-вторых, компактность хромосом предохраняет относительно хрупкие молекулыДНК от разрыва, когда их растягивают по обособляющимся дочерним клеткам.Конденсация интерфазных хромосом в митотические хромосомы начинается в ранней М-фазе и теснейшим образом сопряжено с протеканием клеточногоцикла, о чем будет подробно рассказано в главе 17. Во время М-фазы экспрессиягенов прекращается и над гистонами производятся специфические модификации,способствующие реорганизации хроматина при его уплотнении. В компактизациихроматина участвует класс белков, названных конденсинами, которые используютэнергию гидролиза ATP для осуществления спирализации обеих молекул ДНКинтерфазной хромосомы и образования пары хроматид митотической хромосомы.Конденсины представляют собой крупные белковые комплексы, построенные избелковых димеров SMC: эти димеры образуются, когда два жестких продолго-Глава 4.
ДНК, хромосомы и геномы 409ватых белковых мономера соединяются своими «хвостами» и образуют шарнир,оставляя два шаровидных «головных» домена на другом конце – они связываютДНК и гидролизуют ATP (рис. 4.73). Будучи добавленными к очищенной ДНК,конденсины могут формировать крупные правосторонние петли в молекулах ДНКза счет реакции, которая требует ATP. Хотя еще не известно, как они воздействуют на хроматин, модель «скручивания в кольцо», представленная на рис. 4.73, в,основана на том факте, что конденсины выступают главным структурным компонентом, который в конечном счете оказывается в стержне метафазных хромосом;при этом одна молекула конденсина приходится приблизительно на каждые 10 000нуклеотидов ДНК (рис. 4.74).
Когда конденсины экспериментально удаляютсяиз клетки, уплотнение хромосомы по-прежнему происходит, но сам процесс идетнеправильно.ЗаключениеХромосомы, как правило, разуплотнены во время интерфазы, так чтоособенности их структуры трудно зрительно отобразить. Известные исключения — специализированные хромосомы типа ламповых щеток в ооцитахпозвоночных и политенные хромосомы в гигантских секреторных клеткахнасекомых. Исследования этих двух типов интерфазных хромосом предполагают, что каждая длинная молекула ДНК в хромосоме разделена на большоечисло обособленных доменов, организованных в виде петель хроматина, приэтом каждая петля, вероятно, состоит из 30-нм хроматиновой фибриллы,которая компактизуется дальнейшей укладкой.
Когда гены, содержащиеся впетле, экспрессируются, петля развертывается и стягивается, что позволяетвнутриклеточным машинам добраться до ДНК.Интерфазные хромосомы занимают дискретные территории в ядре клетки;то есть они особо не переплетаются друг с другом. Бóльшую часть интерфазныххромосом составляет эухроматин и, когда он не транскрибируется, вероятно,существует в виде плотно свернутой 30-нм фибриллы. Однако эухроматинпрерывается участками гетерохроматина, где 30-нм фибриллы подвергнуты дополнительной упаковке, которая обычно придает им устойчивость к экспрессиигенов. Гетерохроматин существует в нескольких формах, и некоторые из нихрасполагаются в виде крупных блоков в центромерах и вокруг них, а такжеоколо теломер. Но гетерохроматин присутствует также и во многих другихпозициях хромосом, где он может выполнять задачу регулирования важных дляразвития организма генов.Внутренняя среда ядра весьма динамична, причем гетерохроматин, часторазмещенный вблизи оболочки ядра и петель хроматина, «выходит» за пределытерритории на хромосоме, когда гены очень интенсивно экспрессируются.
Этоотражает существование ядерных компартментов, в которых протеканиеразличных наборов биохимических реакций облегчается благодаря повышеннойконцентрации соответствующих молекул белков и РНК. Компоненты, участвующие в образовании компартмента, способны к самосборке в отдельныеорганеллы, такие как ядрышки или тельца Кахаля; они могут также бытьприкреплены к стационарным структурам, таким как ядерная оболочка.Во время митоза экспрессия генов приостанавливается, и все хромосомыпринимают высококонденсированную конформацию в ходе процесса, которыйначинается в ранней М-фазе и обеспечивает упаковку двух молекул ДНК каж-410Часть 2. Основные генетические механизмыдой реплицированной хромосомы в виде двух отдельно свернутых хроматид.Этот процесс сопровождается модификациями гистонов, которые облегчаютупаковку хроматина.
Однако удовлетворительный исход этого упорядоченного процесса, который уменьшает линейные размеры всех молекул ДНК посравнению с длиной их интерфазных форм еще в десять раз, возможен лишь вприсутствии белков конденсинов.4.5. Пути эволюции геномовВ этой главе мы рассмотрели структуру генов и способы их упаковки и обустройства в хромосомах.
В этом заключительном параграфе мы приводим краткийобзор некоторых путей, которыми гены и геномы эволюционировали с течениемвремени и породили богатое разнообразие современных форм жизни на нашейпланете. Секвенирование геномов произвело переворот в нашем понимании процесса молекулярной эволюции, раскрыв удивительное богатство информации оспецифических семейственных узах среди организмов, а так же осветив эволюционные механизмы в более широком ракурсе.Возможно, нет ничего удивительного в том, что гены с подобными функциямиможно встретить у самых разных живых сущностей. Но величайшим откровением запоследние 25 лет стало открытие, что фактические нуклеотидные последовательностимногих генов достаточно хорошо сохраняются со временем, так что гомологичныегены — то есть гены, которые являются подобными как в отношении их нуклеотидной последовательности, так и в плане их функции в силу происхождения отобщего предка, — могут нередко быть идентифицированы, несмотря на огромныефилогенетические расстояния.
Например, несомненные гомологи многих геновчеловека легко обнаружить в таких организмах, как червь нематоды, плодоваямушка, дрожжи и даже бактерии. Во многих случаях сходство настолько близкое,что кодирующую белок часть гена дрожжей можно заменить ее гомологом от человека, при том что нас от дрожжей отделяет более миллиарда лет эволюции.Как подчеркивалось в главе 3, распознавание подобия последовательностейстало главным инструментом для установления функции гена и белка. И хотя совпадение последовательностей не гарантирует подобия их функций, оно оказываетсяпревосходным ключом к установлению функций. Таким образом, функцию техгенов человека, о которых не имеется никакой биохимической или генетическойинформация, часто возможно предсказать путем простого сравнения их нуклеотидных последовательностей с последовательностями соответствующих генов другихорганизмов.Вообще, последовательности генов более консервативны, чем структура геномав целом.
Как мы видели ранее, другие особенности организации генома, такие какразмер генома, число хромосом, порядок расположения генов по длине хромосом,обилие и размер интронов, а также количество повторов ДНК, как оказалось, сильноотличаются у разных организмов, как и число генов, имеющихся в распоряженииособи того или иного вида.Число генов лишь очень слабо согласуется с фенотипической сложностьюорганизма (см. таблицу 1.1). Значительная часть увеличения числа генов, наблюдаемого с возрастанием биологической сложности, приходится на расширениесемейств близкородственных генов — наблюдение, которое ставит дупликацию ирасхождение генов на место главных эволюционных процессов.
И в самом деле,Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 411весьма вероятно, что все ныне существующие гены являются потомками — черезпроцессы дупликации, расхождения и перераспределения сегментов гена — нескольких предковых генов, которые имелись в наличии у первых форм жизни.4.5.1. Изменения генома вызваны сбоями нормальных механизмовкопирования и поддержания ДНККлетки в зародышевой линии не имеют специализированных механизмов длявнесения изменений в структуру своих геномов: вместо этого, эволюция зависитот аварий и ошибок, сопровождаемых обусловленной выживаемостью организмов.Большинство происходящих генетических изменений является всего лишь результатом отказов в функционировании нормальных механизмов, при помощи которыхгеномы копируются или восстанавливаются при повреждении, хотя перемещениеэлементов подвижной ДНК также играет заметную роль в этом деле.
Как мы будемговорить в главе 5, механизмы, которые поддерживают последовательности ДНК,удивительно точны — однако они не совершенны. Например, благодаря сложнымустройствам механизмов репликации ДНК и систем репарации ДНК, клетки могутпередавать последовательности ДНК по наследству с невероятной точностью, и водной линии родословной примерно только одна из тысячи пар нуклеотидов зародышевой линии изменяется случайным образом за каждый миллион лет. Дажев таком случае в популяции из 10 000 диплоидных особей каждая возможная замена нуклеотидов будет «опробована» приблизительно в 20 случаях на протяжениимиллиона лет — короткий промежуток времени в масштабе эволюции видов.Ошибки при репликации ДНК, рекомбинации ДНК или репарации ДНК могутвести или к простым изменениям в последовательности ДНК — типа замены однойпары оснований на другую, или к крупномасштабным перестройкам генома — типаделеций, дупликаций, инверсий и транслокаций ДНК из одной хромосомы в другую.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
