Льюин (Левин) - Гены - 1987 (947308), страница 154

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 154)

н, каждая] ной ДНК 3,0 х 0,5 Клетки Не!л, ядра Сфероялальная Диамезр б 46 хромосом (двухцепо- 1,8 (6.10Я т. и. н.) чечная ДНК) В общем виде рассматриваемая проблема сводится к тому, каким образом упакована ДНК в фагах и вирусах, в бактериа,зьных клетках и зукариотических ядрах. Длина вытянутой молекулы ДНК во много раз превышает размеры содержащего ее компартмента. Поэтому ДНК (или РНК в случае некоторых вирусов) должна быть очень сильно сконденсирована, т.е. плотно упакована, чтобы уместиться в отведенном ей пространстве.

Конденсация ДНК зависит от наличия белков, с которыми она связывается. Обычно это основные белки, положительные заряды которых нейтрализуют отрицательные заряды нуклеииовой кислоты. Интересно было бы узнать, насколько специфична зта упаковка: скручивается ли ДНК по какому-то одному определенному образцу или каждая отдельная копия укладывается по-своему? Из примеров, суммированных в табл. 28.1, видно, на- ~ сколько велико несоответствие между длиной нуклеиновой кислоты и размером ее вместилища.

Бактериофаги и вирусы эукариот независимо от того, являются ли они длинными и тонкими (нитевидными) иди имеют почти сферическую (икосаэдрическую) форму, содержат большое количество нуклеиновой кислоты (одноцепочечной или двухцепочечной ДНК или РНК), которая заполняет всю вмещающую ее оболочку. В случае соответствующих компартментов у бактерий и зукариотических клеток это расхождение еше больше. ДНК содержишься только в какой-то ограниченной области, а не заполняет всего компартмента, В бактериальной клетке она организована в нуклевид, а в интерфазном ядре эукариот представлена массой хроматина. Среди примеров, приведенных в таблице, кульминации достигает необходимость разместить ДНК человека длиной 1,8 м в ядре, диаметр которого может составлять всего лишь 6 мкм (6 х 1О ' м).

При делении эукариотической клетки генетический материал упаковывается еше более плотно и образует индивидуально различимые митотические хромосомы. Степень конденсации ДНК может быть выражена как плотность упаковки, т.е. отношением длины ДНК к длине, содержашей ее хромосомы.

Например, самая маленькая хромосома человека содержит ДНК, состоящую из 4,6 10' п.н. (примерно в 10 раз больше, чем размер генома Е. сой). Длина такой ДНК составляет 14000 мкм (1,4 см), а соответствующая хромосома, измеренная в сконденсированном состоянии в метафазе, имеет в длину всего лишь около 2 мкм. Таким образом, плотность упаковки этой хромосомы в метафазе равна примерно 7000. Нельзя столь же уверенно установить плотность упаковки для бактериального нуклеоида или эукариотического хроматина, поскольку они имеют более аморфную структуру.

Однако обычно считается, что мнтотнческие хромосомы упакованы примерно в 5-10 раз более плотно, чем интерфазный хроматин, плотность упаковки которого равна, следовательно, 1000-.2000. В организации всего генетического материала прослеживается общий принцип: генетический материал существует в виде компактной массы в строго ограниченных областях, и характерные для него процессы, такие, как репликация и транскрипция, должны происходить в пределах этих областей, Характер упаковки индиеидуиллной последовательности ДНК существенно различается в зависимости от того, идет ли речь о геноме клетки или о вирусе. Размер клеточного генома не имеет строгих ограничений; число и расположение отдельных последовательностей в нем может изменяться в результате дупликации, делеции или перестройки.

Таким образом, в этом случае требуется общий метод упаковки ДНК, нечувствительный к обшему содержанию и распределению последовательностей. У ви- 28. О геномах и хромосомах 345 русов, напротив, есть два ограничения, обусловленные их природой. Во-первых, количество нуклеиновой кислоты, которую нужно упаковать, предопределено размером генома. И во-вторых, эта нуклеиновая кислота должна уместиться внутри оболочки, собранной из белка или белков, кодируемых вирусными генами. При поверхностном рассмотрении вирусной частицы создается обманчивое представление, что она устроена очень просто. Геном, представленный нуклеиновой кислотой, находится внутри капсвда.

Это симметричная, или квазисимметричная, структура, построенная из одного илн нескольких видов белков. К капсиду могут быть прикреплены или включены в него другие структуры, собранные нз различных белков и необходимые для заражения клетки-хозяина. С этой точки зрения вирусная частица сконструирована без больших допусков. Внутренний объем вирусной частицы в редких случаях намного превышает объем, необходимый для размещения нуклеиновой кислоты. Согласно простым расчетам, внутренний объем вириона превышает объем нуклеиновой кислоты обычно менее чем в два раза, а часто он лишь немного больше размеров нуклеиновой кислоты.

Ограничение, связанное с использованием для построения капсида исключительно белков, кодируемых вирусом, в крайней форме сводится к построению оболочки из белковых субъединиц только одного типа. Правила, по которым собираются плотные структуры из идентичных субъединиц, ограничивают форму образованного капсида все~о двумя возможностями. Субъединицы белка могут примыкать друг к другу, располагаясь по спирали. При этом образуется нитевидная, или палочковидная, форма.

Кроме того, возможно образование псевдосферической оболочки. Этот тип структуры в действительности является полиэдроном с икосаэдрнческой симметрией. Сейчас уже известно, что некоторые вирусные капсиды собраны из субъединиц более чем одного типа. Хотя это увеличивает возможности образования различных вариантов структур, все вирусные капсиды принадлежат к общим классам квазикристаллических нитей или икосаэдров. Построение капсида, содержащего нукленновую кислоту, может осуществляться двумя способами. В первом случае белковая оболочка может собираться вокруг нуклеиновой кислоты; при этом конденсация ДНК или РНК будет происходить в результате взаимодействий белок †нуклеинов кислота в процессе сборки.

Во втором случае капсид может быть построен из его компонента (компонентов) в виде пустой оболочки и потом заполнен иуклеиновой кислотой, которая конденсируется по мере проникновения в капсид. Сборка капсида вокруг генома происходит у нитевидных вирусов н фагов, содержащих одноцепочечную РНК. Наиболее хорошо охарактеризованным примером может служить вирус табачной мозаики (ВТМ).

Его сборка начинается с двухцепочечной шпильки, находящейся в последовательности РНК. Из этого центра нуклеации процесс продолжается в двух направлениях вдоль РНК вЂ” до тех пор, пока не достигает концов. Одна структурная единица капсида представляет собой двухслойный диск: каждый слой содержит 17 идентичных субъединиц белка. Диск образует кольцевую структуру, которая при взаимодействии с РНК приобретает спиральную форму. Как видно на рис. 28Л, внутри белковой оболочки РНК скручена в виде спирали. Ряс 28.К Спиральное расположение РНК ВТМ обусловлено межплосяостными взаимодействиями белковых субъединиц ви- риона.

Характер структуры, в виде которой существует РНК- геном, определяется взаимодействием РНК с белковой оболочкой. Аналогичный в общих чертах тип организации генома характерен также для РНК-зенома вируса желтой мозаики турнепса, имеющего капсид сферической формы. Здесь так же положение РНК внутри капсида прямо определяется ее связыванием с белками оболочки. Последовательность событий при сборке сферических капсидов ДНК-содержащих вирусов лучше всего прослежена у фатов лямбда Р) и Т4. В обоих случаях пустая головка оболочки собирается путем взаимодействия небольшого набора белков. Затем двухцепочечный геном внедряется в головку, что достигается изменением структуры капсида. На рис. 28.2 схематически изображена сборка фага лямбда.

Она начинается с маленькой оболочки головки, содержащей белковый слой. Затем эта структура превращается в пустую оболочку головки более отчетливой формы. Потом начинается упаковка ДНК, в процессе которой оболочка головки увеличивается в размере, сохраняя прежнюю форму. И наконец, заполненная головка соединяется с хвостовым отростком. ДНК фатов лямбда и Т4, заполняющая пустую головку, находится в виде конкатемерных молекул. Это множественные геномы, соединенные конец в конец, как показано на рис.

28З, У каждого фага имеется свой собственный механизм, узнающий, какое именно количество ДНК должно быть включено в частицу. Концы генома фага лялгбда маркированы последовательностями, получившими название соя-сайгон. По левому (согласно обычной карте фага) соя-сайту происходит расщепление и образуется свободный конец, который внедряется в капсид. Внедрение ДНК продолжается вплоть до второго сох-сайта, который также отщепляется, образуя второй конец молекулы-генома. Тот конец, который при сборке входит в капсид последним, первым проникает в новую клетку-хозяина. Взаимоотношения между ДНК и оболочкой головки исследовали прямо, определяя, какие именно участки ДНК химически пришиваются к белкам капсида.

Ответ получился удивительный: оказалось, что все области ДНК в более или менее равной степени способны к образованию перекрестных сшивок. Вероятно, это означает, что укладка ДНК в головке происходит согласно общему правилу конденсации,но характер укладки не зависит от конкретных нуклеотидных последовательностей. По-видимому, коцденсация ДНК происходи~ по меха- 346 Часть Ч111.

Упаковка ДНК Серая частица, ~астично запапненная Головка, и имеющая Запопненная ~атаева к увеличенную оболочку гопавка прикреппению канавки Нерпы частица) отростка Предгоповка содержит Предгаповка бепкавый спаи пустая Нечинаетс~ Зрепа~ частица упаковка ДНК зхМОДхзбООООЮМ' Авс — — — Ху7 Рнс. 28.2. Пустая юловка фага дямбда нрн заполнении фагавой ДНК изменяет свою форму н у»слнчнвастся. низму «наматывания на катушку», при котором она закручивается вокруг центральной оси (как нитка на катушке).

Так как любой участок ДНК может находиться в контакте с белковой оболочкой, наматывание не может происходить таким способом, при котором сначала заполняется наружная часть оболочки, а потом внутренняя или наоборот. Была предложена модель, согласно которой конец ДНК, проникший в головку первьжь фиксируется в точке, расположенной вблизи от места ее проникновения, ДНК продолжает входить вдоль центральной оси, закручиваясь вокруг «верхушки» головки. Витки на катушке располагаются равномерно, так что по мере того, как увеличивается количество вошедшей в головку ДНК, тем более тесным становится расположение витков.

Характеристики

Список файлов книги