1625914757-8aba282c54d2a3a371a92e361d6fe93d (843812), страница 12
Текст из файла (страница 12)
coli ряд генов необходим для использования альтернативных источников питания: так, в присутствии глюкозы не экспрессируются гены, ответственные за поглощение и переработку галактозы (см. разд. «Регуляциятранскрипции»). Гены, продукты которых нужны для поддержания жизнедеятельности любой клетки и выполняют незаменимые функции, называют генами домашнего хозяйства (housekeeping genes). В противоположность им так называемые гены роскоши (luxury genes) отвечают за различные специализированные функции.Помимо функционирующих генов в состав генома входят также псевдогены.
Так называются последовательности, произошедшие в результатемутации – дупликации какого-либо гена, например, в результате неравногокроссинговера. После дупликации одна из двух копий исходного гена может накапливать другие мутации, поскольку не подвергается давлениюестественного отбора, и в результате либо приобретает новые функции ипревращается в новый ген, либо вообще утрачивает свои функции и становится псевдогеном.
Поскольку дупликации обычно приводят к возникновению новой копии гена рядом с исходной копией, псевдогены и их исходные гены часто образуют кластеры. Классическим примером являются80кластеры глобиновых генов: в -глобиновый кластер гомологичных последовательностий человека входят 4 функционирующих гена -глобинови 3 псевдогена, а в -глобиновый кластер – 6 функционирующих генов глобинов и 1 псевдоген.Большое количество ДНК у эукариот находится в разного рода повторяющихся элементах. Среди них могут быть функциональные гены: например, геном человека содержит 280 копий генов 18S и 28S рибосомнойРНК, ~2 000 копий генов 5S рибосомной РНК и ~1300 копий генов тРНК,которые в геноме организованы в кластеры повторяющихся копий генов испейсеров (промежуточной ДНК) между ними.
В геноме также можнонайти множественные копии различных транспозонов, ретровирусов ипроизошедших от них нефункциональных последовательностей. Однакобольшая часть повторов не содержит кодирующих последовательностей ипредставляет собой сателлитную ДНК, названную так потому, что прицентрифугировании в градиенте плотности CsCl она мигрирует в виде сателлитной полосы, отдельно от полосы основной геномной ДНК. Сателлитная ДНК в основном состоит из огромного числа повторов небольшойдлины. Так, около 25 % генома Drosophila состоит из повторов короткойпоследовательности ACAAACT, а еще 16 % составляют копии повторовATAAACT и ACAAATT.
У млекопитающих повторы более длинные исложные и организованы в иерархические структуры, возникающие за счетмногократного повторения дупликаций исходного повтора и дивергенциипоследовательности копий за счет мутаций.Существование значительной фракции ДНК с высокой повторностьюбыло впервые доказано в опытах по ренатурации геномной ДНК. Еслидвуцепочечную ДНК, разорванную на фрагменты сравнительно малогоразмера (~102–103 п.н.), нагреть до температуры ~100 °C, комплементарные цепи разделятся и вся ДНК перейдет в одноцепочечное состояние.При быстром охлаждении раствора начнется обратный процесс – ренатурация, в ходе которой комплементарные участки одноцепочечной ДНКсоединяются в двуцепочечную ДНК.
За ходом ренатурации можно следитьпо изменению оптической плотности раствора в ультрафиолетовом диапазоне, так как двуцепочечная ДНК за счет гипохромного эффекта поглощает меньше, чем составляющие ее цепи по отдельности. Поскольку при ренатурации ДНК должна произойти ассоциация двух молекул в одну, еескорость пропорциональна квадрату концентрации одноцепочечной ДНК(C):dC/dt = –kC2.Решая дифференциальное уравнение, получаем:81–1/C = –kt + A.Принимая C = C0 при t = 0, имеем A = –1/C0 и C/C0 = 1/(1 + kC0t).График зависимости доли ренатурировавшей одноцепочечной ДНК (1 –C/C0) от lg C0t имеет сигмоидальный характер (рис.
106). Чем чаще в исходной ДНК встречались фрагменты с одинаковой последовательностью,тем быстрее идет ренатурация. Поэтому сложность исходной ДНК можнооценить по времени t1/2, необходимому для ренатурации половины ДНК.Видно, что t1/2 = 1/kC0 и что значение t1/2 можно определить непосредственно из экспериментальных данных по ренатурации. Сложность принятовыражать в условных парах нуклеотидов по отношению к некой стандартной ДНК (референтному геному). Так, двуцепочечные гомополимеры,например, poly(A):poly(U), ренатурируют очень быстро, поскольку всепоследовательности в пределах каждой цепи в них идентичны. Если зареферентный геном взять poly(A):poly(U) и принять его сложность за 1, тоиз отношения величин C0t сложность генома бактериофага T4 составит1,5?10 5, а сложность генома E. coli – 4,5?10 6. Это прекрасно согласуется созначениями 1,7?10 5 и 4,2?10 6 для фага T4 и E.
coli соответственно, определенными прямым секвенированием их геномов, и указывает на то, что вгеномах фага T4 и E. coli очень мало повторов. В качестве референтногогенома для определения сложности большинства других геномов используют не poly(A):poly(U), а геном E. coli.При ренатурации ДНК эукариот наблюдается более сложная картина(рис. 106). Кривая ренатурации представляет собой суперпозицию трехсигмоидных кривых, одна из которых доминирует при низких, другая –при промежуточных, а третья – при высоких значениях C0t.
Разложив общую кривую ренатурации на три компонента (кинетических домена),вклад которых в общее количество ДНК оказывается примерно одногопорядка, можно увидеть, что быстро ренатурирующий домен по сложности уступает промежуточному на ~3 порядка величины, а тот в свою очередь – медленно ренатурирующему кинетическому домену также на ~3порядка величины. Из этих данных можно рассчитать среднюю повторность элементов кинетических доменов:повторность = (размер генома ? доля домена в геноме)/сложностьВидно, что медленный кинетический домен представлен уникальнымипоследовательностями, а быстрый и промежуточный – повторами с разным числом копий.
Гибридизация геномной ДНК с суммарной РНК изтого же организма показывает, что подавляющее большинство кодирующих последовательностей находится в медленном кинетическом домене.82Рис. 106. Кинетика ренатурации некоторых простых геномов (слева) и типичного эукариотического генома (7?10 8 п.о.) (справа)К некодирующей ДНК также относятся некоторые структурные элементы генома. Концы хромосом образованы многократными повторамителомерной ДНК (см.
разд. «Репликация ДНК»). Участки, к которым прикрепляются микротрубочки при расхождении хромосом при делении клетки, представляют собой особую структурную ДНК – центромерную. Неко83торые участки структурной ДНК необходимы для связывания белков, регулирующих экспрессию генов за счет поддержания нужного уровня конденсации ДНК.Наконец, помимо хромосомной ДНК, расположенной в ядре, в составгенома эукариот входят ДНК некоторых органелл – митохондрий и, в случае растений, хлоропластов.
Согласно современным представлениям, этиорганеллы представляют собой потомков бактерий-симбионтов, сосуществовавших с эукариотическими клетками на ранних стадиях эволюции. Сегодня от их геномов остались небольшие молекулы ДНК, необходимыедля синтеза крайне ограниченного набора РНК и белков. Так, митохондриальная ДНК человека представляет собой кольцевую молекулу размеромоколо 16 тыс. п.н., которая кодирует последовательности 22-х собственныхмитохондриальных тРНК, 2 митохондриальных рРНК и 13 белков, связанных с функциями митохондрий как центров энергетического метаболизма(1 цитохром b, 7 субъединиц NADH-дегидрогеназы, 3 субъединицы цитохромоксидазы и 2 субъединицы АТФ-синтетазы). Все остальные компоненты, необходимые для работы митохондрий, кодируются ядерными генами.
Геном хлоропластов кодирует более 100 белков и функциональныхРНК.II.2. Репликация ДНКПредложенная Уотсоном и Криком модель ДНК раскрывает общиепринципы копирования генетической информации, основанные на строгойкомплементарности взаимодействий в двуцепочечной ДНК. Одной ее цепочки в принципе достаточно, чтобы по ней как по матрице полностьювоспроизвести вторую. Еще в 1950 г. Э. Чаргафф изучил встречаемостьразных оснований в ДНК и сформулировал правило, впоследствии получившее его имя: количество A в ДНК равно количеству T, a количество G– количеству C. Установленная Уотсоном и Криком структура ДНК даетобъяснение правилу Чаргаффа. Однако из модели двойной спирали былонеясно, каким образом осуществляется ее копирование.Синтез новой молекулы двуцепочечной ДНК в принципе может идтипо трем разным механизмам. Исходная молекула двуцепочечной ДНК может сохраняться, а дочерняя молекула синтезироваться заново целиком(консервативная модель); по одной цепочке из родительской молекулыможет включаться в каждую из дочерних молекул, а вторая цепочка в обоих дочерних молекулах синтезироваться заново (полуконсервативная модель); наконец, фрагменты родительской молекулы могут случайным образом включаться в дочерние молекулы, а оставшиеся части дочерних молекул синтезироваться заново (мозаичная модель).84Рис.
107. Эксперимент Мезельсона – Сталя: доказательство полуконсервативной моделирепликации ДНКВ 1957 г. М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали, что репликация идет пополуконсервативной модели (рис. 107). Мезельсон и Сталь выращивалиE. coli на среде, содержащей тяжелый изотоп азота 15N. При равновесномцентрифугировании в градиенте плотности CsCl такая ДНК мигрируетдальше, чем менее плотная нормальная ДНК, содержащая только обычныйизотоп 14N. Если такие бактерии перенести на среду с 14N и измеритьплотность ДНК после одного и двух раундов репликации бактерий, можноожидать разных результатов для разных моделей репликации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
