Днк: кодирующие и некодирующие участки

Геномы высших организмов содержат большое количество избыточной ДНК. Известно, что количество ДНК на гаплоидный геном организма не имеет систематической связи со сложностью организма. К примеру, человеческая клетка содержит примерно в 700 раз больше ДНК, чем бактерия Escherichia coli, но клетки некоторых амфибий и растений содержат в 30 раз больше ДНК, чем клетки человека. Более того, геном разных видов амфибий может различаться по количеству ДНК в 100 и более раз.

Следующее соображение подтверждает мысль об избыточности генома высших организмов. В принципе, количества ДНК, содержащегося в геноме млекопитающих, достаточно, чтобы кодировать около 3 миллионов белков среднего размера (3 000 000 000 нуклеотидов). Но так как степень мутаций устанавливает верхнюю границу числа необходимых генов организма, от которых зависит его выживание, то можно считать, что млекопитающие (и любые другие организмы) не могут быть построены более чем из 60 000 белков. Кроме того, даже кодирующие районы часто прерываются длинными участками некодирующей ДНК.

Главная функция генома - определять специфический синтез молекул РНК . Некоторые участки нуклеотидной последовательности ДНК копируются в соответствующую последовательность РНК, которая либо кодирует белок (если это мРНК ), либо формирует "структурные" (транспортные) РНК - ( тРНК ), либо - рибосомные РНК ( рРНК ). Каждый район ДНК, продуцирующий функциональную молекулу РНК, представляет собой ген .

У высших эукариот встречаются гены размером около 100 000 нуклеотидных пар, а некоторые содержат даже больше 2 000 000 нуклеотидных пар (ген дистрофина); при этом для кодирования белка среднего размера (300-400 аминокислот) достаточно всего около 1 000 нуклеотидных пар. Большинство этой избыточной длины состоит из длинных участков некодирующей ДНК, интронов , которые прерываются относительно короткими сегментами кодирующей ДНК - экзонами .

Синтезированная с гена молекула РНК (первичный РНК-транскрипт) модифицируется с удалением интронных последовательностей в ходе превращения в молекулу мРНК в процессе сплайсинга РНК.

Каждый ген ассоциирован с регуляторными последовательностями ДНК , отвечающими за транскрипцию гена в определенное время и в определенном клеточном типе. В большинстве своем они являются вышерасположенными (в 5'-сторону) от сайта начала транскрипции РНК, но могут быть и нижерасположенными (в 3'-сторону) от сайта терминации транскрипции РНК, а также могут встречаться в интронах и экзонах.

Сателлитные днк (локализованные тандемные повторы)

Большинство эукариотических геномов содержат тандемно организованные высокоповторенные последовательности . В некоторых видах эти повторы составляют большинство геномной ДНК. Например, у кенгуровой крысы (Dipodomys ordii) более 50% всего генома состоит из трех повторенных последовательностей: AAG (2.4 млрд. копий), TTAGGG (2.2 млрд. копий) и ACAAGCGGG (1.2 млрд. копий) ( Widegren et al, 1985 ). Конечно, эти семейства не полностью гомогенны, а содержат множество вариантов, которые отличаются от консенсусной последовательности по одной-двум позициям. Например, некоторые последовательности в TTAGGG семействе являются последовательностями TTAGAG. Несмотря на то, что многие из локализованных высоких повторов имеют столь одинаковый нуклеотидный состав, после фракционирования геномной ДНК и разделения в градиенте плотности, они образуют одну или более четких полос, отделимых от основного ДНК - "бэнда" и от фона, созданного фрагментами более гетерогенного состава. Эти полосы получили название сателлитной ДНК .

У некоторых видов тандемные высокоповторенные последовательности располагаются на всех хромосомах, тогда как у других они локализованы в определенных местах. Например, 60% генома Dr. nasutoides состоит из сателлитной ДНК, и вся она локализована в одной из четырех хромосом ( Miklos, 1985 ). Основываясь на данных, ставших доступными к настоящему времени, вполне вероятно предположить, что локализованные высокие повторы не имеют какой-либо конкретной функции. Более того, возможно, что они не увеличивают и не уменьшают приспособленности особей. Следовательно, эволюция таких последовательностей не испытывала влияния естественного отбора, а определялась в основном генной конверсией и неравным кроссинговером. Действие этих механизмов может иметь два следствия:

1) гомогенность последовательностей и

2) значительные флуктуации в числе копий за время эволюции. Также было предположено, что скорость обмена локализованных повторов довольна высока; таким образом, существующие блоки могут удаляться неравным кроссиноговером, тогда как новые могут непрерывно создаваться в процессе дупликации ДНК ( Walsh, 1987 ).

Хорошо изученным представителем часто повторяющиеся последовательности, число которых превышает 105 на гаплоидный геном, 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 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:

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.

Микро- (от 1 до 4 п.о. в основном повторяющемся блоке) и минисателлитные (с бoльшим 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) .

Впервые последовательности сателлитных ДНК человека были выделены центрифугированием в градиенте плотности хлористого цезия [ Corneo et al., 1967 ] как отдельные, сателлитные фракции, отличающиеся по плавучей плотности от основной массы ДНК.

К настоящему времени в геноме человека обнаружено по крайней мере шесть видов сателлитных повторов [ Lee et al., 1997 ]:

1.Короткие прямые повторы, так называемые классические сателлиты .

Выделяют три типа классических сателлитов:

сателлит 1 , имеющий элементарную повторяющуюся единицу длиной 42 н. п. и обнаруженный на хромосомах 3 , 4 , 13 , 14 , 15 , 21 , 22 ;

сателлит 2 , имеющий элементарную повторяющуюся единицу длиной 5 н. п. и обнаруженный на хромосомах 1 , 2 , 10 , 16 ;

сателлит 3 , имеющий элементарную повторяющуюся единицу длиной 5 н. п. и обнаруженный на хромосомах 1 , 5 , 9 , 10 , 13 , 14 , 15 , 17 , 20 , 21 , 22 , Y ;

2. альфа-сателлитные повторы , имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 171 н. п. и обнаруженные на всех хромосомах человека;

3. бета-сателлитные повторы , имеющие элементарную повторяющуюся единицу

длиной 68 н. п. и обнаруженные на хромосомах 1 , 3 , 9 , 13 , 14 , 15 , 21 , 22 , Y ;

4. гамма-сателлитные повторы , имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 220 н. п. и обнаруженные на хромосомах 8 , X

5. - сателлитные повторы , имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 48 н. п. и обнаруженные на хромосомах 13 , 14 , 15 , 21 , 22 , Y ;

6. Sn5 - сателлитные повторы , обнаруженные на хромосомах 2 , 13 , 14 , 15 , 20 , 21 , 22 (длина повторяющейся единицы неизвестна).