98276

Организация генома эукариот

Реферат

Биология и генетика

Гетерогенность ДНК эукариот по нуклеотидному составу. Роль ДНК-топоизомераз в обеспечении структуры и функционирования хроматина. Так же как и у прокариот информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками.

Русский

2015-10-30

312 KB

10 чел.

Международный государственный

экологический университет

им. А.Д. Сахарова

«Организация генома эукариот»

Выполнила студентка

4-го курса  гр. 92061-1

Пажиток В. В.

г. Минск 2012


Содержание

Введение.......................................................................................................3

1. Геном эукариот……………………………………………………….4

1.1.Нуклеотидные последовательности в геноме эукариот …..................6

1.2.Гетерогенность ДНК эукариот по нуклеотидному составу………….9

2. Хроматин и компактизация хромосом.....................................10

2.1. Негистоновые  белки  хроматина.........................................................15

2.2. Роль ДНК-топоизомераз в обеспечении структуры и    функционирования хроматина....................................................................16

2.3. Особенности репликации эукариотических хромосом……………..18

2.4.Переключение генов у эукариот……………………………………....19

Заключение……………………………………………………………...20

Список литературы…………………………………………………...21


Введение

  Основная часть генома эукариот  находится  в  специальном  клеточном  компартменте (органелле),  получившем  название  ядра,  а  значительно  меньшая  часть –  в  митохондриях,  хлоропластах  и  других  пластидах.  Так  же,  как  и  у  прокариот, информационной  макромолекулой  генома эукариот  является  ДНК, которая неравномерно  распределена  по  нескольким  хромосомам  в  виде  комплексов  с многочисленными  белками.  Эти  ДНК-белковые  комплексы  эукариот  получили название  хроматина.  На  протяжении  клеточного  цикла  хроматин претерпевает  высокоупорядоченные структурные преобразования в виде последовательных  конденсаций–деконденсаций.  В  соматических  клетках  при максимальной  конденсации  в  метафазе  митоза  эти  преобразования сопровождаются  формированием  видимых  в  микроскопе  метафазных хромосом.  Как  морфология  метафазных  хромосом,  так  и  их  число  являются уникальными  характеристиками  вида.  Совокупность  внешних  признаков хромосомного  набора  эукариот  получила  название  кариотипа. Эти  признаки

широко используются в биологической систематике.


1.Геном эукариот

Геном эукариот организован намного сложнее, чем геном прокариот.(рис.1). Геном  эукариот  существенно  отличается  от  генома  прокариот  по  ряду признаков, среди которых необходимо отметить его избыточность. Содержание ДНК у эукариот в расчете на одну клетку в среднем на два–три порядка выше, чем у прокариот, и у разных видов животных изменяется от 168 пг (амфибии) до 1  пг (некоторые  виды  рыб).  У  человека  имеется около 6 пг ДНК на диплоидный геном, суммарная длина которой приближается к 6·109 п.о. (табл.1). Повышенное  содержание  ДНК  в  геноме  эукариот  нельзя  объяснить одним  лишь  увеличением  потребности  этих  организмов  в  дополнительной генетической  информации  в  связи  с  усложнением  организации,  поскольку большая  часть  их  геномной ДНК,  как  правило,  представлена  некодирующими последовательностями  нуклеотидов. Размер  генома  организмов,  находящихся на  более  низких  ступенях  эволюционного  развития,  зачастую  превышает размеры  геномов  более  высокоорганизованных  животных  и растений. В настоящее  время  известно, что большая  часть  ДНК  генома  эукариот  не кодирует  РНК  и  белки,  и  ее  генетические  функции  не  вполне понятны. Особенности  первичной  структуры  ДНК  эукариот  позволяют  разделить ее на многочисленные семейства и классы.

Рисунок1- Общая структура гена эукариот.

Таблица 1.

Средний размер гаплоидного генома у некоторых групп организмов

Группы организмов

Средний размер генома п.о.

Мелкие вирусы

1,0·104

Микоплазмы

1,6·106

Бактерии

2,0·106

Грибы

4,7·107

Насекомые

2,3·109

Моллюски

1,6·109

Костистые рыбы

1,4·109

Амфибии бесхвостые

2,7·109

хвостатые

3,6·1010

Рептилии

1,5·109

Птицы

1,2·109

Млекопитающие

2,6·109

человек

3,0·109

Растения голосеменные

1,6·1010

покрытосеменные

2,7·1010

лилия Lilium longiflorum

1,8·1011

 


1.1
 Нуклеотидные последовательности в геноме эукариот

Геном  эукариот  составляют  уникальные  и  повторяющиеся последовательности  нуклеотидов.  Содержание  уникальных последовательностей  в  геноме,  определенное  на  основании  кинетики реассоциации фрагментированной ДНК,  варьирует  у  разных  организмов,  и  их доля  составляет 15–98%  от  всей  ДНК.  Несмотря  на  то,  что  во  фракцию уникальных последовательностей попадают многие структурные гены, большая часть  уникальных  последовательностей  является  некодирующей  и  обычно  не заключает  в  себе  генетической  информации  в  общепринятом  значении  этого термина: не кодирует функционально значимые полипептидные цепи или РНК. Хорошо известным примером таких уникальных последовательностей являются интроны, общий размер  которых,  как правило, на порядок и более превышает суммарный размер экзонов содержащих их генов.

Эволюционное  возникновение  мозаичной (интрон–экзонной)  структуры генов эукариот, так же как и консервативный характер наследования размеров и  взаимного  расположения  интронов  в  генах,  не  находит  в  настоящее  время исчерпывающего  объяснения  из-за  кажущегося  отсутствия фактора  давления естественного  отбора  на  последовательности  нуклеотидов  без  четких биологических  функций.  Наибольшее  распространение  получила  концепция В. Гилберта (1977 г.), согласно которой появление интронов, по-видимому, совпавшее  по  времени  с  эволюционным  возникновением многоклеточных  организмов,  обеспечило  возможность  обмена  экзонами между  неродственными  генами (exon shuffling).  Такой  обмен  должен сопровождаться  образованием  новых  белков  мозаичного  строения, составленных  из  готовых  полипептидных  функционально  значимых  модулей (доменов),  ранее  принадлежавших  другим  белкам.  Следствием  этого,  по мнению  сторонников  данной  концепции,  было  резкое  ускорение  образования белков  и  ферментов  с  новыми  функциями,  а  также  глубокие  эволюционные преобразования  самих  организмов,  реализующих  такие  молекулярные механизмы.  Эта  точка  зрения  получила  название  "гипотезы  позднего возникновения интронов" (intron late). В соответствии с другой гипотезой Дж.Е. Дарнелла  и  В.Ф. Дулиттла (1978 г.)  современные  интроны представляют  собой "эволюционные  реликты".  Когда-то  интроны  были частью гигантских генов.

В современной  классификации  повторов  принято  различать  часто повторяющиеся  последовательности,  число  которых  превышает 105  на гаплоидный  геном,  и  умеренно  повторяющиеся,  представленные 10–104 копиями. Хорошо изученным представителем первых является сателлитная ДНК,  которая  состоит  из  коротких  тандемных  повторов  длиной 1–20  п.о., организованных  в  длинные  блоки.  Одними  из  первых  среди  повторяющихся последовательностей  ДНК  эукариот  были  открыты  сателлитные  ДНК  тимуса телят.  Свое  название  они  получили  на  основании  того,  что  при  анализе суммарной  эукариотической  ДНК  центрифугированием  в  градиенте  плотности хлористого цезия они сопровождали основной пик оптической плотности в виде плеча (спутника, сателлита). Именно гомогенный нуклеотидный состав фракции сателлитных  ДНК,  определяемый  наличием  в  ней  многочисленных  коротких повторов,  изменял  ее  плавучую  плотность,  что  легко  обнаруживалось  при центрифугировании.  В  своем  классическом  определении  сателлитных  ДНК Р.Д. Бриттен  и  соавт. (1974 г.)  отмечали,  что  сателлиты –  это  минорный компонент  ДНК,  отделяющийся  от  основной  ДНК  при  равновесном ультрацентрифугировании  в  градиенте  плотности CsCl.  Для  сателлитов характерен ряд  свойств,  среди  которых наиболее важны: а) быстрая и  точная реассоциация  в  процессе  ренатурации  ДНК;  б)  множество  копий;  в)  простая первичная структура; г) гомогенный состав (протяженные кластеры одних и тех же  повторяющихся  блоков  последовательны);  д)  пурин–пиримидиновая асимметрия в распределении нуклеотидов по цепям ДНК; е) концентрирование в  прицентромерном  гетерохроматине;  ж)  ограниченная  репликация (недорипликация)  при  политенизации  хромосом;  з)  нахождение  в  составе хромосом  в  виде  тандемно (друг  за  другом)  расположенных  кластеров.Содержание  сателлитной  ДНК  в  геноме  эукариот  может  достигать 5–50%  от суммарного количества ДНК. Микро- (от 1 до 4 п.о. в основном повторяющемся блоке)  и  минисателлитные (с  бóльшим  числом  п.о.  в  индивидуальном повторе)  ДНК  характеризуются  высокой  вариабельностью  по  числу  копий  в геномах организмов даже одного вида и в ряде случаев обладают генетической нестабильностью как в норме, так и при некоторых патологических состояниях организмов.  Благодаря  этому  свойству  мини-  и  микросателлиты  часто называют  тандемными  повторами  с  изменяющимся  числом  копий  VNTR (variable number of tandem repeats).

Другой  тип  повторов –  диспергированные  повторяющиеся последовательности ДНК, не организованные в крупные блоки, а рассеянные по  геному. Повторы этого типа, иначе называемые умеренно повторяющимися последовательностями (medium reiterated frequency repeatsMERs), разделяют на два обширных  класса: SINE (short iterspersed elements) –  короткие и LINE (long interspersed elements) –  длинные  диспергированные  элементы.  Длина SINE-элементов  составляет 90–400  п.о.,  тогда  как  длина LINE-последовательностей может достигать 7 т.п.о. Хорошо изученными повторами класса SINE  в  геноме  человека  и  некоторых  приматов  являются  так называемые Alu-повторы, длина повторяющейся единицы которых составляет ~300  п.о. Alu-повторы  представлены  в  геноме  человека  ~106  копиями  и  в среднем  встречаются  через  каждые 4  т.п.о.,  составляя  ~5%  от  суммарного количества  ДНК.  Аналогичные  в  структурном  отношении  повторы,  названные B1, обнаружены в геноме мышей и под другими названиями описаны у многих млекопитающих. Хотя LINE-последовательности заключают в себе гены обратных транскриптаз,  что  является  признаком  ретротранспозонов (мобильных генетических  элементов  животных,  обладающих  структурным  сходством  с геномом  ретровирусов),  для  них  характерно  отсутствие  последовательностей длинных  концевых  повторов (long terminal repeats – LTR),  типичных  для ретротранспозонов).  В качестве  примера LINE-последовательности  можно  упомянуть LINE-1-повтор, широко  распространенный  в  геноме  животных. LINE-1-элемент  мышей содержит две открытые рамки  считывания ORF-1 и ORF-2, вторая из  которых одирует  белок,  гомологичный  обратной  транскриптазе. ORF  фланкированы короткими  нетранслируемыми  последовательностями,  а  сами LINE-1 – короткими  прямыми  повторами (SDR). 5’-Концевые  последовательности повтора  функционируют  в  качестве  промоторов  транскрипции.  Этот  участок LINE-1  грызунов (но  не  человека)  построен  из  коротких  тандемных  повторов двух  типов A  и F,  называемых  мономерами.  Длина  мономеров  у  крыс составляет 600  п.о.  При  этом A- (но  не F)  мономеры  обладают  активностью промоторов.

Так  же  как  и  сателлитные  ДНК, SINE-  и LINE-повторы  характеризуются генетической  нестабильностью.  Их  общими  чертами  являются транскрибируемость и способность к транспозициям. Последовательности РНК, транскрибированные с умеренных повторов, обнаруживают среди гетерогенных ядерных  РНК,  где  их  доля  достигает 20–30%.  Имеются  экспериментальные свидетельства  того,  что  новые  копии  повторяющихся  элементов  обоих  типов возникают  в  геноме  в  результате  функционирования  механизма,  названного ретротранспозицией,  или  ретропозицией.  При  участии  подобного механизма  под  действием  обратной  транскриптазы  сначала  образуется  кДНК на  матрице  РНК-транскрипта  соответствующего  повтора,  которая  далее интегрируется в новый локус генома, как это имеет место у ретровирусов. Такой механизм  дает  возможность  локально  изменять  число  копий  определенных последовательностей  нуклеотидов  в  эукариотическом  геноме.  Тем  не  менее, большая  часть LINE-последовательностей  неспособна  к  транспозициям,  и  их ORF,  по-видимому,  могут  быть  отнесены  к  псевдогенам – неэкспрессирующимся  последовательностям,  гомологичным последовательностям  истинных  генов.  Помимо  вышеупомянутых повторяющихся последовательностей геном человека содержит более 100 000 копий MaLR-повторов длиной в 2–3 т.п.о., содержащих LTR, и несколько тысяч последовательностей генома ретровирусов.

Несмотря на широкую распространенность повторяющихся и уникальных некодирующих  последовательностей  в  геноме  эукариот  и  их  очевидную активность  во  время  жизненного  цикла  организмов,  биологическое  значение этих  и  других  некодирующих  элементов  генома  остается  непонятным. Вызывает сомнение правильность активно обсуждаемой в литературе гипотезы об "эгоистичности"  избыточной  геномной  ДНК,  в  соответствии  с  которой  вся   45 избыточная ДНК является геномным паразитом и распространяется в геноме в результате  транспозиций  точных  копий  немногочисленных  исходных последовательностей.  Действительно,  слишком  велики  были  бы энергетические  затраты  на  биосинтез  предшественников  ДНК  и  самой  ДНК  в клетках, в которых содержание "паразитической" ДНК в геноме на 2–3 порядка превышает  количество  функционально  значимой  ДНК,  заключающей  в  себе последовательности  нуклеотидов  генов.  Клетки  с  геномом, "зараженным" эгоистической  ДНК,  не  смогли  бы  выдерживать  конкуренции  с  клетками,  не содержащими "паразита",  из-за  значительного  возрастания  энергетических затрат  на  редупликацию  генома.  Кроме  того,  концепция  эгоистической ДНК,  в соответствии  с  которой  предполагается  отсутствие  эволюционного  давления отбора  на "паразитические"  последовательности  нуклеотидов,  не  объясняет высокую  консервативность  мест  локализации  и  размеров  интронов  в гомологичных  генах  филогенетически  близких  организмов,  а  также  не указывает  на  механизм,  поддерживающий  число  копий  повторов  на относительно  постоянном  уровне  в  ряду  поколений  организмов.

Функциональную значимость избыточной ДНК лишь частично объясняют концепции,  приписывающие  ей  структурную  роль  в  пространственной организации  генома и участие в конъюгации  гомологичных хромосом в мейозе или  репликации  теломерных  участков  хромосом.  Таким  образом,  основные положения  знаменитого  парадокса C,  указывающие  на  необъяснимое присутствие  в  геноме  эукариотических  организмов  большого  количества избыточной  ДНК,  по-прежнему  остаются  загадочными  и  парадоксальными.


1.2 Гетерогенность ДНК эукариот по нуклеотидному составу

У эукариот описаны некоторые особенности структуры ДНК, обусловленные спецификой нуклеотидного состава отдельных последовательностей. Так, встречаются расположенные в одной цепи блоки нуклеотидов, состоящих из нескольких десятков пуринов. Тогда комплементарная часть в другой цепи ДНК будет представлена пиримидинами. Подобные последовательности названы полипуриновыми (полипиримидиновыми) блоками.

Другой вид гетерогенности связан с неравномерностью содержания по длине ДНК пар аденин–тимин (АТ–пары) и гуанин–цитозин (ГЦ–пары). Так, в геноме дрозофилы периодически встречаются последовательности длиной примерно в 100 п. н., на 85 % состоящие из АТ–пар. Поскольку аденин связан с тимином двумя водородными связями, а гуанин с цитозином — тремя, дестабилизирующие ДНК-воздействия будут легче инициировать расплетание дуплексов ДНК с образованием участков частичной денатурации в АТ-богатых областях. Поэтому последние рассматриваются в качестве сайтов инициации элементарных генетических процессов: репликации, транскрипции и рекомбинации.

Особенности молекулярной структуры ДНК эукариот не были предсказаны ни классической генетикой (за исключением, пожалуй, свойств гетерохроматина), ни моделью двойной спирали Уотсона и Крика. Они были раскрыты при исследовании структуры геномов различных эукариотических организмов физико-химическими методами. Функции большинства повторяющихся и уникальных последовательностей пока не определены. Однако вполне вероятно, что сама по себе молекулярная структура ДНК эукариот служит зеркалом генетической регуляции и эволюции высших животных и растений.


2.Хроматин и компактизация хромосом

Хроматином называют сложную смесь веществ, из которых построены хромосомы  эукариот.  Основными  компонентами  хроматина  являются  ДНК, гистоны  и  негистоновые  белки,  образующие  высокоупорядоченные  в пространстве  структуры.  Соотношение  ДНК  и  белка  в  хроматине  составляет ~1:1,  а  основная  масса  белка  хроматина  представлена  гистонами. Гистоны образуют семейство  высококонсервативных  основных  белков,  которые разделяются  на  пять  больших  классов,  названных  H1, H2A, H2B, H3  и H4. Размер полипептидных цепей гистонов лежит в пределах ~220 (H1) и 102 (H4) аминокислотных  остатков.  Гистон H1  сильно  обогащен  остатками  Lys,  для гистонов H2A  и H2B  характерно  умеренное  содержание Lys,  полипептидные цепи  гистонов H3  и H4  богаты  Arg.  Внутри  каждого  класса  гистонов (за исключением H4)  на  основании  аминокислотных  последовательностей различают  несколько  субтипов  этих  белков.  Такая множественность  особенно характерна для  гистонов класса H1 млекопитающих. В этом случае различают семь субтипов, названных H1.1–H1.5, H1o и H1t.Важным  результатом  взаимодействия  ДНК  с  белками  в  составе хроматина является ее  компактизация. Суммарная длина ДНК,  заключенной в ядре  клеток  человека,  приближается  к 1  м,  тогда  как  средний  диаметр  ядра составляет примерно10  мкм.  Длина  молекулы  ДНК,  заключенной  в  одной  хромосоме человека,  в  среднем  равняется ~4  см.  В  то  же  время  длина  метафазной хромосомы  составляет ~4  мкм.  Следовательно,  ДНК  метафазных  хромосом человека  компактизована  по  длине,  по  крайней  мере,  в  примерно 104  раз.  Степень компактизации ДНК в интерфазных ядрах значительно ниже и неравномерна в отдельных  генетических  локусах.  С  функциональной  точки  зрения  различают эухроматин  и  гетерохроматин.  Эухроматин  характеризуется  меньшей  по сравнению с гетерохроматином компактизацией ДНК, и в нем главным образом локализуются  активно  экспрессирующиеся  гены. Гетерохроматизация  определенных  участков  хромосом  часто сопровождается подавлением транскрипции имеющихся в них генов. В процесс гетерохроматизации  могут  быть  вовлечены  протяженные  участки  хромосом  и даже  целые  хромосомы.  В  соответствии  с  этим  считается,  что  регуляция транскрипции  генов  эукариот  в  основном  происходит  на  двух  уровнях.  На первом  из  них  компактизация  или  декомпактизация  ДНК  в  хроматине  может приводить  к  длительной  инактивации  или  активации  протяженных  участков хромосом  или  даже  целых  хромосом  в  онтогенезе  организма.  Более  тонкая регуляция  транскрипции  активированных  участков  хромосом  достигается  на втором уровне при участии негистоновых белков, включающих многочисленные факторы транскрипции.

Большинство  знаний  о  структуре хроматина  было  получено in vitro  на  препаратах  фрагментированного хроматина, структура  которого  значительно отличается от  таковой в нативных ядрах. В соответствии с распространенной точкой зрения различают три уровня структурной  организации  хроматина  у  эукариот: 1) нуклеосомная фибрилла; 2)  соленоид,  или  нуклеомер; 3)  петельно-доменная  структура, включающая хромомеры.

Нуклеосомные  фибриллы.  В  определенных  условиях (при  низкой ионной силе и в присутствии двухвалентных ионов металлов) в изолированном хроматине  удается  наблюдать  регулярные  структуры  в  виде  протяженных фибрилл  диаметром 10  нм,  состоящих  из  нуклеосом.  Эти  фибриллярные структуры,  в  которых  нуклеосомы  расположены  как  бусы  на  нитке, рассматриваются  в  качестве  низшего  уровня  упаковки  ДНК  эукариот  в хроматине. Нуклеосомы, входящие в состав фибрилл, расположены более или менее равномерно вдоль молекулы ДНК на расстоянии 10–20 нм друг от друга.В состав нуклеосом входят четыре пары молекул гистонов: H2a, H2b, H3 и H4, а также одна молекула  гистона H1. Данные по  структуре нуклеосом  в основном получены  с  использованием  трех  методов:  рентгеноструктурного  анализа низкого  и  высокого  разрешения  кристаллов  нуклеосом,  межмолекулярных сшивок  белок–ДНК  и  расщепления  ДНК  в  составе  нуклеосом  с  помощью нуклеаз или радикалов гидроксила. На основании таких данных А. Клугом была построена  модель  нуклеосомы,  в  соответствии  с  которой  ДНК (146  п.о.)  в  B-форме (правозакрученная  спираль  с  шагом 10  п.о.)  намотана  на  гистоновый октамер,  в  центральной  части  котороо  расположены  гистоны  Н3  и  Н4,  а  на периферии – Н2а  и Н2b.  Диаметр  такого  нуклеосомного  диска  составляет 11 нм,  а  его  толщина – 5,5  нм. Структура,  состоящая  из  гистонового  октамера  и намотанной на него ДНК, получила название нуклеосомной кóровой частицы. Кóровые  частицы отделены друг от друга  сегментами линкерной ДНК. Общая длина участка ДНК, включенного в нуклеосому животных, составляет 200 (±15) п.о.

Рисунок 2 - Характеристики нуклеосомного кода укладки хроматина

Полипептидные цепи гистонов содержат структурные домены нескольких типов.  Центральный  глобулярный  домен  и  гибкие  выступающие N-  и  С-концевые  участки,  обогащенные  основными  аминокислотами,  получили название плеч (arm). С-концевые домены полипептидных цепей, участвующие в гистон–гистоновых  взаимодействиях  внутри  кóровой  частицы,  находятся преимущественно в виде α-спирали с протяженным центральным спиральным участком,  вдоль  которого  с  двух  сторон  уложено  по  одной  более  короткой спирали.  Все  известные  места  обратимых  посттрансляционных  модификаций гистонов,  происходящих  на  протяжении  клеточного  цикла  или  во  время дифференцировки  клеток,  локализованы  в  гибких  основных  доменах  их полипептидных цепей.(табл.2)

Таблица 2

Свойства гистонов животных

Гистон

Размер полипептида

(число аминокислот)

Локализации и типы  посттрансляционных модификаций

Вся молекула

N-концевое плечо

C- концевое плечо

H3

135

41

25

Ac-K9,P-S10,Ac-K-14,Ac-K18,Ac-K23,Ac-K27

H4

102

32

-

P-S1,Ac-K5,Ac-K8,Ac-K12,Ac-K16,Ac-K20

H2A

129

24

16

P-S1,Ac-K5,Ac-K9

H2B

125

30

23

Ac-K12,Ac-K15,Ac-K20,Ac-K24,P-S32,P-S36

H1

213

36

92

S-фаза:P-S145,P-S173,P-S180

Митоз:P-S16,P-T17,P-T136,P-S145,P-S173,P-S180

Примечание.Ac- ацетилирование, P-фосфорилирование; K,T,R,S- остатки Lys, Arg, Thr, Ser  соответственно. Цифры обозначают положение соответствующих  аминокислотных остатков в полипептидных цепях.

При этом N-концевые плечи гистонов H3 и H4 являются  самыми  консервативными  участками молекул,  а  гистоны  в  целом – одними  из  наиболее  эволюционно  консервативных  белков. В  соответствии  с  современными  данными  пространственная  структура ДНК  в  составе  кóровых  частиц  несколько  отличается  от B-формы:  двойная спираль  ДНК  перекручена  на 0,25–0,35  п.о./виток  двойной  спирали,  что приводит  к  образованию шага  спирали,  равному 10,2  п.о./виток (у В-формы  в растворе – 10,5  п.о./виток).  Стабильность  комплекса  гистонов  в  составе кóровой  частицы  определяется  взаимодействием  их  глобулярных  частей, поэтому  удаление  гибких  плеч  в  условиях  мягкого  протеолиза  не сопровождается  разрушением  комплекса. N-концевые  плечи  гистонов,  по-видимому,  обеспечивают  их  взаимодействие  со  специфическими  участками ДНК.  Так, N-концевые  домены  гистона  Н3  контактируют  с  участками  ДНК  на входе  в  кóровую  частицу  и  выходе  из  нее,  тогда  как  соответствующий  домен гистона Н4 связывается с внутренней частью ДНК нуклеосомы.

Соленоид,  или  нуклеомер. В ядрах ДНК в основном входит в состав фибрилл диаметром 25~30 нм,   51 которые образуются и в растворах с физиологическими концентрациями солей( ~100  мМ NaCl),  содержащих  изолированный  хроматин.  Такие  фибриллы  в форме  соленоида  неравномерны  по  своей  длине.  С  помощью  электронного микроскопа в них обнаруживаются гранулы диаметром 30 нм, между которыми находятся  более  тонкие  участки.  Ю.С. Ченцов,  впервые  обнаруживший  эти гранулы, назвал их нуклеомерами, позднее они были описаны в литературе под названием "супербидов" (super-beads). Согласно модели А. Клуга, на один шаг (10 нм) соленоида приходится примерно 6 нуклеосом, что приводит к уменьшению в ~6 раз длины фибриллы диаметром в 10 нм, а исходной свободной ДНК – в 40 раз. Таким образом, в соответствии с этой упрощенной картиной цепь нуклеосом на втором  уровне  упаковки  хроматина  свернута  в  симметрично  построенный соленоид,  содержащий  нуклеомеры.  Симметрия  соленоида  нарушается  при взаимодействии с ним негистоновых белков.

Энергия, необходимая для образования  соленоида, частично черпается из энергии взаимодействия нуклеосом друг с другом. Однако основной вклад в этот процесс вносит гистон Н1, связывание молекул которого с линкерной ДНК за пределами кóровых частиц обеспечивает образование компактных фибрилл диаметром 30 нм.  Дифференцирующиеся  клетки  высших  эукариот  обладают способностью  к  синтезу  целого  семейства  гистонов  Н1,  например  Н1А,  Н1В, Н1о,  которые  имеют  структурное  сходство  с  гистоном  Н5,  обнаруженным  в дифференцирующихся  предшественниках  эритроцитов.  Полипептидные  цепи гистонов  семейства  Н1,  как  и  молекулы  гистонов  кóровых  частиц,  содержат центральный  глобулярный  домен  и  два  гибких  плеча.  Глобулярный  домен определяет локализацию  гистона Н1 в нуклеосомах,  где он взаимодействует с ДНК  в месте  ее  входа  в  кóровую  частицу  и  выхода  из  нее,  стабилизируя  два отрицательных  супервитка  ДНК,  обернутой  вокруг  гистонового  октамера.

Петельно-доменный  уровень  компактизации  хроматина.  В интерфазных  ядрах  эукариот  нити  хроматина,  в  которых  ДНК  упакована  в форме  соленоида,  содержащего  нуклеомеры,  организованы  в  виде топологически независимых петель, длина  которых  в  среднем  составляет 50–100  т.п.о.  Такой  способ  пространственной  укладки  нитей  хроматина рассматривается  как  следующий  уровень  конденсации  хроматина (и  ДНК)  у эукариот,  а  сами  петли  получили  название  хромомеров.  С  помощью электронного микроскопа обнаружено, что нити хроматина в хромомерах имеют дополнительную  специфическую  укладку  в  виде  розеток,  собранных  у основания,  от  которого  отходят  малые  петли  длиной  ~5  т.п.о

Рисунок 3 - Схематическое изображение петельно-доменного уровня компактизации хроматина .

а – фиксация петли хромомера на ядерном матриксе с помощью MAR/SAR-последовательностей и белков; б – "розетки", образованные из петли хромомера; в – конденсация петель "розеток" с участием нуклеосом и нуклеомеров .

Образование  хромомеров  становится  возможным  благодаря  наличию  у  их оснований  определенных  последовательностей  нуклеотидов,  которые специфически  взаимодействуют  с  ядерным  матриксом,  называемым  иначе ядерным  скэффолдом (скелетом) –  сетчатообразной  структурой  внутри интерфазных  ядер,  образованной  белками  и  РНК.  Эти  участки  хромосомной ДНК,  взаимодействующие  с  ядерным  матриксом,  в  литературе  известны  под сокращенными  названиями MAR (Matrix Associated Region)  или SAR (Scaffold Associated Region) и часто обозначаются как MAR/SAR-последовательности. Можно  выделить  следующие  обобщенные   характеристики MAR/SAR-последовательностей:

  •  длина MAR/SAR-последовательностей составляет 300–1000 п.о.; все они содержат многочисленные сайты ДНК-белкового взаимодействия и обогащены AT-парами;
  •  MAR/SAR-последовательности  обладают  способностью  обратимо связываться  с  ядерным  матриксом  метафазных  хромосом  и  локализованы исключительно  в  некодирующих  последовательностях  генома,  главным образом в нетранскрибируемых участках, реже в интронах;
  •  расстояние  между  двумя  соседними MAR/SAR-последовательностями составляет 3–112  т.п.о.,  и  они  фланкируют  один  или  несколько экспрессирующихся  генов,  для  которых  характерна  повышенная чувствительность  к  нуклеазам  из-за  деконденсированного  состояния  их хроматина;
  •  некоторые MAR/SAR-последовательности  выявлены  рядом  с энхансероподобными  регуляторными элементами.  Кроме  того,  эти последовательности  могут  быть  потенциальными  сайтами  инициации репликации  и  содержать  в  своем  составе  большое  число  сайтов  для  разных факторов транскрипции;
  •  MAR/SAR-последовательности  иногда  соседствуют  с последовательностями,  способными  образовывать Z-  или H-формы  ДНК,  и  в таких случаях они определяются как сайты с повышенной чувствительностью к ДНКазе I.  

MAR/SAR-последовательности являются чрезвычайно важными  в  функциональном  отношении  последовательностями геномной ДНК эукариот. Одной из основных функций, которую им приписывают в  настоящее  время,  может  быть  пространственное  разграничение функциональных  доменов  хроматина  в  интерфазных  ядрах  эукариот, необходимое для эффективной и независимой экспрессии  генов, находящихся в  этих  доменах. MAR/SAR-последовательности осуществляют  глобальный  контроль  изменений  структуры  хроматина  и связанных  с  ними  модуляций  экспрессии  генов  на  уровне  транскрипции.  В настоящее  время  считается,  что  эти  последовательности  обеспечивают поддержание  функциональной  структуры  хромосом  в  интерфазных  ядрах  и вовлечены  в  процесс  их  конденсации  при  формировании  метафазных хромосом  во  время  митоза.


2.1.
 Негистоновые  белки  хроматина

Большое  влияние  на  структуру хроматина  и функционирование  эукариотических  генов  оказывают  различные негистоновые  белки.  В  ядрах  в  наибольшем  количестве  обнаруживают негистоновые  белки,  которые  относят  к  так  называемой  группе  белков  с высокой подвижностью (high mobility group – HMG). Это название отражает их высокую подвижность при электрофорезе. Суммарное содержание HMG-белков в  ядрах  клеток  в ~10  раз меньше,  чем  гистонов. Эти белки  разделяют  на  три основных подкласса: 14/17, 1/2 и I/Y. HMG 14/17  представляют  собой  небольшие  белки  с  молекулярной массой 10–12  кДа,  полипептидные  цепи  которых  несут  большой  локальный электрический заряд при физиологических значениях рН. N-Концевые части их полипептидных цепей обладают основными свойствами, тогда  как С-концевые –  кислыми.  Кóровые  частицы  нуклеосом  содержат  на  своей  поверхности  две молекулы HMG 14/17, которые соединяют между собой цепи ДНК двух соседних витков. HMG-Белки  этой   группы  могут  замещать  гистон H1  в  активно транскрибируемых  генах. In vivo  ~10%  коровых  частиц  нуклеосом  могут содержать белки HMG 14/17. Белки  группы HMG 1/2  также  являются  одними  из  преобладающих ядерных  белков  с  молекулярной  массой 25–30  кДа.  Эти  белки  специфически связываются  с  одноцепочечными  участками  ДНК,  а  также  участками  ДНК, образующими крестообразные структуры в местах, содержащих палиндромные последовательности.  Это  указывает  на  их  возможное  участие  в  процессах рекомбинации,  репарации  и репликации. Было  показано,  что  белки HMG 1/2  способствуют  сборке нуклеосом in vitro.Белки HMG I/Y  преимущественно  взаимодействуют  с  АТ-богатыми участками  ДНК,  что  характерно  и  для  гистона  Н1.  Предполагается,  что  эти белки  конкурируют  с  гистоном  Н1 in vivo  за  промоторы  и  области  начала репликации. Помимо HMG-белков  к  негистоновым  белкам  хроматина  относятся многочисленные внутриядерные ферменты и белковые факторы, необходимые для  работы  генетического  аппарата  клетки.


2.2. Роль ДНК-топоизомераз в обеспечении структуры и  функционирования хроматина

Топоизомеразы  контролируют  в  клетках  уровень  суперскрученности  ДНК, который  может  изменяться  в  процессе  ее  репликации,  транскрипции, гомологичной рекомбинации, а также во время перестроек хроматина. Все эти   56 ферменты релаксируют суперскрученные молекулы ДНК, снимая их внутреннее напряжение  путем  внесения  одно-  или  двухцепочечных  разрывов  с последующим  их  восстановлением (лигированием).  По  механизму  действия различают  ДНК-топоизомеразы  типа I  и II.

ДНК-топоизомеразы I, являются мономерными белками, релаксируют ДНК без  затраты  энергии путем внесения одноцепочечных разрывов.  В  отличие  от  этого,  ДНК-топоизомеразы II  функционируют  в  виде димеров,  осуществляя ATP-зависимое  расщепление  обеих  цепей  ДНК  с последующим переносом цепей через разрыв и его лигированием (рис.4).

Рисунок 4 - Основные этапы каталитического цикла топоизомеразы II Внизу изображен механизм переноса нити ДНК через двухцепочечный разрыв. Точками отмечены места ковалентного присоединения фермента к 5'-концам ДНК в двухцепочечных разрывах. VM26, mAMSA, антрациклины –  ингибиторы топоизомеразы II, фиксирующие ковалентный комплекс фермент-ДНК и предотвращающие лигирование двухцепочечного разрыва; L – число зацеплений ДНК в суперскрученной молекуле.

Для  внесения  одноцепочечного  разрыва  в ДНК  все ДНК-топоизомеразы используют  остаток Tyr,  который  осуществляет  нуклеофильную  атаку фосфатной  группы  ДНК  с  образованием  фосфотирозина.  В  результатеферменты  оказываются  ковалентно  связанными  с 5'-  или 3'-концами  ДНК  в одноцепочечном  разрыве.  Образование  такой  ковалентной  связи  исключает необходимость затраты энергии при восстановлении фосфодиэфирной связи в одноцепочечном  разрыве  на  заключительных  стадиях  реакции.  У  ДНК-топоизомераз  типа I  имеется  один  каталитический  остаток Tyr  на  молекулу мономерного белка, тогда как димеры ДНК-топоизомераз II содержат по одному каталитическому  остатку  на  каждую  субъединицу,  что  обеспечивает  создание ступенчатого двухцепочечного разрыва в молекуле релаксируемой ДНК. Обнаружены, два подтипа ДНК-топоизомераз I – IA и IB, которые,  будучи  неродственными  ферментами  как  по  первичной,  так  и  по пространственной  структурам,  выполняют  аналогичные  функции  с  помощью различных механизмов. ДНК-топоизомераза IA  релаксирует  ДНК,  содержащие  только отрицательные  супервитки,  работает  в  присутствии  ионов Mg2+ и ковалентно соединяется  с  5'-концами  ДНК  в  образующихся  врéменных  одноцепочечных разрывах.  Это  сближает  ДНК-топоизомеразы IA  и II  между  собой,  что  было подтверждено  также  структурными  исследованиями. В  отличие от  этого, ДНК-топоизомеразы IB  способны  релаксировать  ДНК  как  с  положительными,  так  и отрицательными  супервитками,  не  требуют  для  своего  функционирования ионов  металлов  и  взаимодействует  ковалентно  с  3'-концами  ДНК.  ДНК-топоизомеразы IB  найдены  исключительно  в  клетках  эукариот

ДНК-топоизомераза II  является  жизненно  важным  ферментом  любого эукариотического организма. Кроме релаксации суперскрученных молекул ДНК она может  осуществлять  образование  или  развязывание  узлов,  а  также образование  или  разделение кольцевых  замкнутых  ДНК, сцепленных  друг  с  другом. ДНК-топоизомераза II  является  одним  из ключевых ферментов,  необходимых  для  разрешения  сложных  топологических проблем,  возникающих  при  изменении  структуры  хроматина  в  процессах репликации  ДНК,  транскрипции  генов  и  сегрегации  хромосом  в  митозе и мейозе.


2.3. Особенности репликации эукариотических хромосом

Как и у прокариот, репликация ДНК в клетках эукариотических организмов осуществляется полуконсервативно, о чем свидетельствует распределение Н-тимидиновой метки по сестринским хроматидам во втором и последующих митозах после инкубации клеток с радиоактивными предшественниками. Выяснено, что репликация у эукариот носит двунаправленный характер.

Принцип регуляции репликации ДНК эукариот в онтогенезе был открыт английским цитогенетиком Г. Кэлланом в 1972 г. С помощью радиоавтографии меченных 3Н-тимидином волокон ДНК, полученных из клеток животных непосредственно на предметном стекле, Кэллан определил скорость репликации и расстояние между соседними центрами инициации в S-фазе соматических и эмбриональных клеток.

По первому показателю между этими типами клеток больших различий не наблюдалось. Число сайтов инициации репликации было максимальным в раннем эмбриогенезе, минимальным в предмейотической S-фазе и промежуточным в соматических клетках. Эти данные в принципе были подтверждены позднее прямым электронно-микроскопическим анализом реплицирующейся ДНК из дробящихся яиц дрозофилы. Таким образом, суть регуляции процесса репликации у эукариот заключается в изменении числа сайтов инициации репликации. Этот механизм позволяет увеличить продолжительность фазы S (а, следовательно, всего митотического цикла) с 3,5 мин (на ранних стадиях дробления яиц дрозофилы) до десятков часов в предмейотической S-фазе. Упаковка ДНК и гистонов в нуклеосомы происходит в фазе S, поскольку гистоны синтезируются синхронно с репликацией ДНК.


2.4
.Переключение генов у эукариот

У эукариот опероны отсутствуют, и система управления активностью генов более сложная. Во-первых, у эукариот включаются не три гена (или чуть больше), а целые батареи генов. Во-вторых, регуляция активности генов происходит не за счет связывания оператора с белком–репрессором, а за счет спирализации и деспирализации хромосом. В-третьих, у эукариот регуляция работы генов происходит не по принципу «да–нет», а по принципу «больше–меньше».

У прокариот регуляторные участки составляют примерно 5 % от всей ДНК, а у эукариот длина регуляторных участков соизмерима с общей длиной структурных генов. Регуляторные белки у эукариот влияют не только на работу генов в одной хромосоме, но и на активность функционально сходных генов в разных хромосомах. Например, a- и b-цепи гемоглобина кодируются генами, расположенными в разных хромосомах. Однако количество a-цепей равно количеству b-цепей. Промоторы и операторы у эукариот могут быть удалены от структурных генов на значительное расстояние.

У многоклеточных эукариот в ходе онтогенеза из исходной клетки развивается целостный организм. На разных этапах онтогенеза в разных тканях с разной интенсивностью экспрессируются разные гены. Активность генов у эукариот регулируется разнообразными эндо- и экзогенными факторами, в том числе, и гормонами. Способность исходной клетки реализовывать генетическую информацию в ходе клеточных делений и дифференцировки клеток называется тотипотентностью. У растений тотипотентны и оплодотворенные яйцеклетки, и почти все соматические клетки. У животных тотипотентна только зигота (а также некоторые клетки низших беспозвоночных). Поэтому методы клонирования животных основаны на пересадке ядер из соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки (то есть яйцеклетки с убитым ядром).

Выключение генов может быть обратимым и необратимым. У животных существует два типа дробления зиготы: недетерминированное (дифференцировка клеток на поздних стадиях онтогенеза) и детерминированное (дифференцировка клеток на самых ранних этапах дробления зиготы). В первом случае можно пересадить ядро из клеток кишечного эпителия головастика в яйцеклетку с убитым с помощью ультрафиолетового облучения ядром. Из такой синтезированной клетки разовьется нормальная лягушка. Во втором случае клетки передней части бластодермы дрозофилы способны формировать только структуры передней части тела имаго, а клетки задней части бластодермы – только структуры задней части тела.


Заключение

Все существующие ныне клетки подразделяются на два типа: прокариотические (бактерии и их близкие родственники) и эукариотические. Эукариотические клетки больше по размеру и имеют более сложную организацию, чем клетки прокариот. Они содержат больше ДНК и различных компонентов, обеспечивающих ее сложные функции. ДНК эукариот заключена в окруженное мембраной ядро, а в цитоплазме находится много других окруженных мембранами органелл. Необходимый для синтеза белков аппарат, состоящий из рибосом, тРНК, набора аминокислот и ферментов, находится в цитоплазме клетки.

Значительные отличия имеются в молекулярной организации генов эукариотической клетки. В большинстве из них кодирующие последовательности экзоны прерываются интронными участками, которые не используются при синтезе тРНК, рРНК или пептидов. Количество таких участков варьирует в разных генах. Транскрипционный аппарат эукариотических клеток включает три ядерные РНК-полимеразы, а также РНК-полимеразы митохондрий и пластид. РНК-полимераза I обнаруживается в ядрышках клеток и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза II локализуется в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза III - небольшая фракция, находящаяся в ядерном соке и осуществляющая синтез малых рРНК и тРНК. Каждый из этих ферментов имеет две большие субъединицы и до 10 малых. РНК-полимеразы митохондрий и пластид отличаются от ядерных.


Список литературы

  1.  Патрушев Л.И.  Экспрессия генов.- М.: Наука,2000.
  2.  Alberts B., Bray D., Lewis J. et al. Molecular Biology of the Cell. 2rd ed. Inc. N.Y.; L.: Garland Publ., 1994.
  3.  Спирин А.С. , А.А. Богданов. Молекулярная биология :Структура и биосинтез нуклеиновых кислот.- М.:Высш.шк.,1990.
  4.  Жимулев И.Ф. Современные представления о структуре гена у эукариот, 2000
  5.  Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. 4-е изд.- М.:ИКЦ»Академкнига»,2004.
  6.  Fuller D., Shields D. Molecular Basis of Medical Cell Biology.-Пер.с англ. М.:» Бином»,2006.

PAGE  3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25087. Толерантність 35.5 KB
  Толерантність є необхідною умовою людського співжиття. Толерантність вимагає від людей примирення досягнення компромісу. Толерантність не є насиллям над людською волею позаяк це не людська кара. Приклади толерантності: батьки миряться з певною поведінкою своїх дітей; людина терпить слабкості іншої людини; людина терпить толерантність; монарх терпить інакомислення; релігійна течія терпимо ставиться до гомосексуалів; держава визнає релігійні меншини; суспільство терпимо ставиться до певних форм девіантної поведінки.
25088. Мораль – это совокупность исторически определенных норм 33.5 KB
  Функции морали отражают основные направления ее применения и через них реализуются цели задачи назначение морали. Функции морали: Регулятивная функция морали главная функция регулирующая поведение людей и общества в целом посредством: ограничения негативных устремлений людей; саморегуляции индивида и социальной среды управление общественными отношениями; воплощение в жизнь гуманистических норм морали. Воспитательная функция морали формирование нравственных привычек установок моральных запретов самовоспитания человека в течение всей...
25089. Мораль как целостное общественное явление 42.5 KB
  Альтруизм – нравственный принцип предписывающий сострадание и милосердие к другим людям бескорыстное служение им и готовность к самоотречению во имя их блага. Слово милосердие является самым близкими и понятными каждому человеку. Милосердие – свойство характера определяющее постоянный нравственный образ действий человека. Милосердие – это: доброжелательное сострадательное отношение к другому человеку; сочувствие жалость сострадание любовь; благотворительность.
25090. Поняття естетика 36.5 KB
  Естетичне це специфічно духовне чуттєве відношення людини до світу. Характеристикою такого відношення є здатність людини самореалізуватися цілісно і всебічно. У естетичному відношенні людина вільна від егоїстичного інтересу вона піднімається до безкорисливого дійсно людського відношення до предмету.