Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 63
Текст из файла (страница 63)
рис. 4.15 и таблицу 4.1). Таким образом, в большинстве своем гены человека состоят из длинной вереницы чередующихся экзонов и интр<>нов, и в основном последовательность гена занята интронами. Напротив, большинство генов организмов с короткими геномами не имеет интронов. Этим обьясняется намного меньший размер их генов (прнблизительно одна двадцатая от размера генов человека), а также намного более весомая доля кодирующей ДНК в их хромосомах.
В довесок к интронам н экзонам, ко всем генам приписаны регуляторные последовательности ДНК, которые обеспечивают включение и отключение подопечных генов в надлежащее время, а также их экспрессию на соответствующем уровне и только в клетках надлежащего типа. У человека регуляторные последо вательности типичного гена простираются на десятки тысяч пар нуклеотидов. Как и следовало ожидать, такие регуляторные последовательности более сжаты в организмах с краткими геномами.
В главе 7 мы обсудим вопрос о том, как работают регуляторные п<>следовательн<>сти ДНК. Наконец, нуклеотидная последовательность генома человека показала, что существенно важная информация по созданию человека, кажется, находится в крайней степени беспорядка. Вот слова одного комментатора, описавшего наш геном: «В некотором смысле он может напоминать ваш гараж, спальню, холодильник или доля компонентов ДНК, 55 0 10 20 30 40 50 ВО 70 ВО 90 100 интроны кодирующив белок области-=' г ГЕНЫ ДНК бвз повторов, которая крепи яростью повторы не принадлежит ни интронам, ни акзонам сепавнтныв дупликвции .
-: ПОВТОРЯЮЩИЕСЯ УНИКАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Рис. 4.17. Схематическое изображение состава нуилеотидной последовательности полностью секвенированного генома человека. ЕГНЕз, 51НЕз, ретровирус-подобные элементы и присущие ДНК транспозоны — это мобильные генетические элементы, которые приумножились в нашем ге номе путем саморепликации и встраивания новых копий в различных позициях. Такого рода подвижным генетическим элементам мы уделим место в главе 5 (см. таблицу 5.
3, стр. 4ВБ). Простые повторы представляют собой короткие последовательности нуклеотидов (менее 14-ти пар нуклеотидов), которые повторяются снова и снова на протяжении достаточно длинных отрезков. Сегментные дупл и нации — большие блоки генома (1 000-200 000 пар нуклеотидов), которые присутствуют в двух или нескольких местах генома. Блоки ДН К с наиболее высокой плотностью повторов, находящиеся в гетерохроматине, еще не были полностью секвенированы; поэтому приблизительно 10 ЗЕ последовательности ДНК человека не представлено на этой схеме. (Данные любезно сообщены Е.
Магкцбез.) Основной помехой в интерпретации нуклеотидных последовательностей хромо сом человека выступает тот факт, что большая часть последовательности не имеет, по всей вероятности, никакого значения. Ьолее того, кодирующие области генома (экзоны), как правило, присутствуют в нем в виде маленких островков (средним размером около (г)5-ти пар нуклеотидов), разбросанных в море ДИК, точная по следовательность нуклеотидов которой имеет малое значение. Такая организация значительно затрудняет идентификацию всех экзонов на том или ином отрезке последовательности ДИК.
Еще труднее определить, где ген начинается и заканчи ваегся и сколько экзонов в точности он охватывает. Точная идентификация гена требует подходов, которые извлекают инфор мацию из неотъемлемо (по сути своей) низкого отношения сипгал — гпум генома человека. Мы опишем некоторые из них в главе 8. Здесь мы обсудим только один общий подход, который основывается на том наблюдении, что последовательности, которые имеют какую-либо функцию, остаются сравнительно консервативными в ходе эволюции, тогда как не обремененные исполнением какой либо функции, могут позволить себе сколь угодно случайных мутаций.
Исходя из этого, стратегия построена на сравнении последовательности человека г последовательностькг соот вегствующих областей родственного генома — например, мыши. Люди и мыши, как думают, разошлись от общего, относящегося к млекопитающим предка приблизи тельно 80- 10ь лцг назад, после чего прошло достаточно времени, чтобы (юльшинство нуклеотидов в их геномах изменилось в результате событий случайных мутаций. 4.2. Хромосомная ДНк и ее улввовкв в хромвтиновое волокно 319 Следовательно, единственными областями, сохранившими сходство в этих двух геномах, будут те области, мутации в которых вредили бы их функции и ставили бы животных, несущих этн мутации, в невыгодное положение по сравнению с остальными особями и тем самым предопределяли бы их устранение из популяции под давлением естественного отбора. Такие весьма схожие области известны как консервативные области.
Консервативные области включают как функционально значимые экзоны, так и регуляторные последовательности ДНК. Напротив, не- консервативные области представлены ДНК, последовательность которой вряд ли имеет какое-либо значение для функционирования организма. Действенность этого метода может быть увеличена за счет сравнения нашего ге нома с таковыми тех животных, для которых они полностью секвенированы, включая крысу, курицу, шимпанзе и собаку.
Демонстрируя подобным образом результаты очень продолжительного «эксперимента» природы, длящегося сотни миллионов лет, такие сравнительные исследования секвенированных ДНК высветили наиболее интересные области в этих геномах. Сравнение показывает, что около 5 / генома человека состоит из «многовидовых консервативных последовательностей», о чем подробнее сказано ближе к концу этой главы. Что было совсем неожиданно, так это то, что только приблизительно одна треть этих последовательностей кодирует белки. Некоторые из консервативных некодирующих последовательностей соответствуют группам белок-связывающих участков, каковые вовлечены в регулирование генов, тогда как иные производят молекулы РНК, которые не транслируются в белки.
Но функция большинства таких последовательностей остается неизвестной. Это неожиданное открытие позволило ученым заключить, что наши познания о цито биологии позвоночных намного скуднее, чем мы раныпе воображали. Конечно, есть огромные возможности для новых открытий, и впереди нас ждет еще много неожиданностей. Сравнительные исследования показали не только то, что у человека и других млекопитающих большинство генов одинаковы, но также и то, что большие блоки наших геномов содержат зти гены в одинаковом порядке, каковая особенность получила название консервативной синтении. В результате большие блоки наших хромосом могут быть узнаны в геномах представителей других биологических видов. Это позволяет использовать технологию раскрашивания хромосом для вос становления недавней эволюционной истории хромосом человека (рис.
4.18). 4.2.5. На протяжении жизни клетки хромосомы находятся в различных состояниях Мы познакомились с тем, как гены расположены в хромосомах, но для образования функционально активной хромосомы молекула ДНК должна быть способна на нечто большее, чем просго нести в себе гены: она должна быть способна реплицироваться, а реплицированные копии должны отделяться друг от друга н надежно разделяться по дочерним клегкам при каждом делении клетки. Этот процесс проис ходит через упорядоченный ряд стадий, совокупность которых составляет клеточный цикл, который предусматривает временной разрыв между удвоением хромосом н их расхождением на две дочерние нити. Клеточный цикл вкратце и схематично представлен на рис. 4.19, а подробно рассматривается в главе 17.
В этой главе мы коснемся лишь некоторых моментов клеточного цикла. Во время интерфазы хро мосомы реплицируются, и в ходе митоза они сильно уплотняются и затем разделя ПРЕДКОВАЯ ХРОМОСОМА предковая ДНК хромосомы 3 человека инверсия и слияние образование ромосомы 21 2 инверсии предковая ДНК 'хромосомы 21 человека слияние е) хромосома 3 человека хромосома 21 человека лемур орангуган б) а Ь с б а Ь с 6 а Ь с а Рис.4.18.
Предполагаемая эволюционная история хромосомы 3 человена и родственных ей хромосом других млекопитающих. а) Порядок сегментов хромосомы 3, гипотетически имевшийся на хромосоме относящегося к млеко питающим предка, представлен на фоне желтого прямоугольного паля. Отмечены минимальные изменения в этой предновой хромосоме, необходимые для объяснения появления всех трех современных хромосом. (Современные хромосомы человека и африканских человекообразных обезьян при таком раскладе выглядят идентичными.) Маленькое кружки, изображенные на современных хромосомах, представляют положения центромер.
Слияние и инверсия, которая ведет к изменению организации хромосомы, как думают происходят у млекопитающих с частотой раз в 5 — 10 10э лет б) Некоторые эксперименты по окрашиванию хромосом, на основании которых была построена схема а. Каждое изображение показывает хромосому, наиболее близко связанную родством с хромосомой 3 человека, окрашенную зеленым путем гибридизации с различными сегментами ДНК, обозначенными буквами а, Ь, с и б, стоящими в ряд под изображением вариантов гибридизации хромосомы. Зти буквы соответствуют буквам, обозначающим цветные сегменты в схемах на изображении а. (Заимствовано из 5. МЫ)ег е1 а)., Ргас.
Ман Асад. 5сг, 054. 97: 206-211, 2000. С любезного разрешения Национальной академии наук США.) ются и распределяются по двум дочерним ядрам. Сильно уплотненные хромосомы в делягцсйся клетке называют мигвоглическими хромосомами (рггс. 4.20, а). Это форма, в которой хромосомы наиболее легко просматриваются; фактически на всех иллюстрациях хромосом, представленных ранее в этой главе, хромосомы изображены на стадии митоза. Во время деления клетки такое уплотненное состояние важно для митотичвсков веретено ядерная оболочка окружающая ядро ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ И РЕПЛИКАЦИЯ интерг)жзнвя ХРОМОСОМ ХРОМОСОМВ МИТОЗ деление клетки ми готичесх ХРОГЗОСОМВ ИНТЕРФАЗА ФАЗА М ИНТЕРФАЗА Рис.4.19.
Упрощенное представление клеточного цикла вука риот. Во время и нтерфазы клетка активно зкспрессируег свои гены и поэтому синтезирует белки. Кроме того, в период интерфазы и передделением клетки ДН К реплицируется и каждая хромосома дублируется, давая начало двум тесно спаренным дочерним хромосомам (здесь в клетке показаны только две хромосомы). По завершении репликации ДНК клетка может войти в М-фазу, когда происходит мигов и ядро делится на два дочерних ядра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
