Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 74
Текст из файла (страница 74)
Высокопроницаемые волокнистые сети такого вида, отделяя пространство реакции (см. разд. 3.2.30), проходящей в ядре, могут таким образом обеспечивать многие кинетические преимущества (рис. 4.69, а). Однако, в отличие от охваченных мембранами полостей в цитоплазме (обсужда ем в главе 12), такие ядерные субполости — не имеющие мембраны из двойного липидного слоя, — не могут ни концегприровать, ни исключать определенные маленькие молекулы.
Клетка имеет замечательную спгюобность создавать или даже обустраивать различные биохимические среды внутри ядра. Известные к настоящему времени данные облегчают понимание различных аспектов экспрессии генов, о чем мы по говорим в главе 6 (см. рис, 6А9). Подобно ядрышку, такие субполости, кажется, образуются только в случае необходимости и обеспечивают высокую локальную концентрацию множества различных ферментов и молекул РНК, необходимыхдля протекания конкретного процесса.
Аналогичным образом, после повреждения Дг(К облучением, наблюдается скопление ряда ферментов, необходимых для осущест 1 ~ оболочка ез '~. ~7 а) ~,ю ' 4ф~ .-г Рис. 4.69. Эффективная компартментализация без двухслойной мембраны. а) Схематическая иллюстрация организации шарообразной субъядерной органеллы (слева) и гипотетического кампартмента с подобной организацией, расположенного сразу под оболочкой ядра (справа). В обоих случаях молекулы РНК и(или) белков (серые) обьединяются с образованием высокопористых гелеобразных структур, которые содержат участки связывания для других специфических молекул белков и РНК (разноцветные обьекглы).
б) Показано, как связывание подобранного набора молекул белков и РНК с длинными гибкими полимерными цепями, как в а, может формировать «плацдарм», на котором созданы все условия для ускорения реакций в компартментах ядра. Тип катализируемых реакций будет зависеть от специфических макромолекул, которые сосредоточиваются на этих участках. Конечно, ожидается, что в подобных кампартментах всех остальных областей клетки реакции ускоряются таким же способом (см.
также рис. 3.80, в). Рис.4.71. Полученный растровой электронной микроскопией снимок области вблизи одного из концов типичной митотической хромосомы. Каждое узловидное выпячивание, как полагают, представляет собой кончик отдельного петельного домена.
Обратите внимание, что на снимке отчетливо просматриваются две идентичные спаренные хроматиды (изображенные на рис. 4.70). (Заимствовано из М. Р. Магздеп апг( О. К. баепкпб, Ге817: 849-858, 1979. С любезного разрешения издзтельствае ЕЬеыег.) 0,1 мкм короткий участок згчг ь 7гч,т /~~т~Д~ч~зг'~ 1~ Т ДНК 11 нм хроматин в вице «бусин на нити» 30-нм хроматиновая фибрилпа из упакованных н)гклвосом 30 нм часть хромосомы в растянутом виде 300 нм ! 700 нм конденсированный участок хромосомы 1400 нм целая митотическая хромосома В ИТОГЕ: КАЖДАЯ йК)ПЕКУПА ДНК УПАКОВЫВАЕТСЯ В ФО(зй(У МИТОТИЧЕСКОЙ ХРОМОСОМЫ И СТАНОВИТСЯ В,10 000 РАЗ КОРОЧЕ СВОЕГО РАЗВЕРНз"ТОГО СОСТОЯНИЯ ' Рис. 4.72.
Упаковка хроматина. Эта модель показывает некоторые из многочисленных гипотетических уровней упаковки хроматина, обусловливающих образование плотноупакованной митотической хро- мосомы. 4.4. Глобальная структура хромосом 373 порядок видимых структурных особенностей по длине митотической хромосомы по крайней мере груню отражает порядок генов на молекуле ДНК. Таким образом, конденсацию митотической хромосомы можно рассматривать как заключительный уровень в иерархии упаковки хромосомы (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 легко отделиться, когда митотический аппарат начинает разводить их в разные стороны. Во-вторых, компактность хромосом предохраняет относительно хрупкие молекулы ДНК от разрыва, когда их растягивают по обособляющимся дочерним клеткам. Конденсация интерфазных хромосом в митотические хромосомы начинаегся в ранней М-фазе и теснейшим образом сопряжена с протеканием клеточного цикла, о чем будет подробно рассказано в главе 17. Во время М-фазы экспрессия генов прекращается и над гистонами производятся специфические модификации, способствующие реорганизации хроматина при его уплотнении.
В компактизацни хроматина участвует класс белков, названных конденсинами, которые используют энергию гидролиза АТР для осуществления спирализации обеих молекул ДНК интерфазной хромосомы и образования пары хроматид митотической хромосомы. Конденсины представляют собой крупные белковые комплексы, построенные из белковых димеров ЯМС: эти димеры образуются, когда два жестких продолговатых белковых мономера соединяются своими «хвостами» и образуют шарнир, оставляя два шаровидных «головных» домена на другом конце — они связывают ДНК и гидролнзуют АТР (рис.
4.73). Будучи добавленными к очигденной ДНК, конденсины могут формировать крупные правостороннне петли в молекулах ДНК за счет реакции, которая требует АТР. 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 10 000 нуклеотидов ДНК (рнс. 4.74).
Когда конденснны экспериментально удаляются из клетки, уплотнение хромосомы по-прежнему происходит, но сам процесс идет неправильно. Заключение Хромосомы, как правило, разуплотнены во время интерфазы, так что особенности их структуры трудно зрительно отобразить. Известные ис. ключения — специализированные хромосомы типа ламповых щеток в ооцитах позвоночных и политенные хромосомы в гигантских секреторных клетках насекомых.
Исследования этих двух типов интерфазных хромосом предпгглагают, что каждая длинная молекула ДНК в хромосоме разделена на большое число обособленных доменов, организованныг в виде петель хроматина, при этом каждая петля, вероятно, состоит из 30-нм хроматиновой фибриллы, которая компактизуется дальнейшей укладкой.
Когда гены, содержащиеся в петле, экспрессируются, петля развертывается и стягивается, что позволяет внутриклеточны.м машинам добраться до ДНК. Ин терфазные хромосомы занимают дискретные территории в ядре клетки; то есть они особо не переплетаются друг с другом. Бйльшую часть интерфазны т Рис. 4.74. Местоположение конденсина в сжатых митотических хромосомак. о) Полученный при помощи флуоресцентной микроскопии снимок хромосомы человека во время митоза, окрашенной антителом, которое выявляет местоположение конденсина. В хромосомах, которые столь высоко уплотнены, конденсин, как видно, сосредоточен в точечных структурах, расположенных на оси хромосомы. В подобных экспериментах показано, что аналогичное местоположение занимает и ДНК-топоизомераза К вЂ” фермент, который производит обратимые двунитевые разрезы в ДНК, что позволяет одной двойной спирали ДНК проходить через другую (см.
рис. 5.23). б) Иммунозолотая электронная микроскопия показывает местоположение конденсина (черные точки). Здесь хроматнда наблюдается в поперечном срезе, то есть ось хромосомы перпендикулярна плоскости бумаги. (Изображение о заимствовано из К. Маез(пта апб (З К. саетт((, Оек Сед 4: 4б7-480, 2003. С любезного разрешения издательства Енечег.
Изображение б любезно предоставлено Ш К. (аепь гп((, опубликовано в К. Маезмта, М. Е(тзоч апе Ш К. Гаегпгп!Е Слготоюто 114: 365-375, 2005. С любезного разрешения издательства 5рппбег.) а) !мкм б) ';~а з~. "'ь гФ- уау. ьгг ч -"Г- органеллы, такие как ядрышки или тельца Кахаля; они могут также быть прикреплены к стационарным структурам, таким как ядерная оболочка. Во время митоза экспрессия генов приостанавливается, и все хромосомы принимают вьгсококонденсированпую конформацию в ходе процесса, который начинается в ранней М фазе и обеспечивает упаковку двух молекул ДИК каж дой реплицированнои хромосомы в виде двух отдельно свернутых хроматид.
Этот процесс сопровождается модификациями гистонов, которые облегчают упаковку хроматина. Однако удовлетворительный' исход этого упорядоченного процесса, который уменьшает линеиные размеры всех молекул ДИК по срав нению с длшюй их интерфазныг форм егце в десять раз, возможен лишь в при г утствии белкг>в конг)епсинов. В этой главе мы рассмотрели структуру генов и способы их упаковки и обу стройства в хромосомах. В этом заключительном параграфе мы приводим краткий обзор некоторых путей, которыми гены и геномы эволюционировали с течением времени и породили бо! атос разнообразие современных форм жизни на нашей пла нсте. Секвенирование геномов произвело переворот в нашем понимании процесса молекулярной эволюции, раскрыв удивительное богатство информации о спецнфи ческих семейственных узах среди организмов, а так же осветив эволюционные механизмы в более широком ракурсе. Возможно, нет ничего удивительного в том, что гены с подобными функциями можно встретить у самых разных живых существ.
)!о величайшим откровением за последние 25 лет стало открытие, что фактические нуклеотидные последовательности многих генов достаточно хорошо сохраняются со временем, так что гомологичные гены — то есть гены, которые являются подобными как в отношении их нуклео 376 Часп» 2. Основные генетические механизмы тидной последовательности, так и в плане их функции в силу происхождения от общего предка, — могут нередко быть идентифицированы, несмотря на огромные филогенетические расстояния.
Например, несомненные гомологи многих генов человека легко обнаружить в таких организмах, как червь нематода, плодовая мушка, 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 последовательностей стало главным инструментом для установления функции гена и белка. И хотя сов-падение последовательностей не гарантирует подобия их функций, оно оказывается превосходным ключом к установлению функций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
