44

ЧАСТЬ I. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ: ОБЗОР

Большой

Малый

желобок

желобок

Малый

желобок

РИС. 1.8.

В-ДНК

А-ДНК

Z-ДНК

Пространственные модели В-, А- и Z-ДНК (каждая из

му остова Z-ДНК. А-ДНК короче и толще, а Z-ДНК чуть

моделей содержит 20 пар оснований). Атомы фосфора

длиннее и тоньше, чем В-ДНК. В А-ДНК большой

и

связанные с

ними атомы

кислорода

изображены

желобок более глубокий, но зато малый уплощен и

в

виде темных

шариков, атомы азота–в

виде

слегка

напоминает обвитую по поверхности ленту. У Z-ДНК

затененных шариков. Сплошная линия, соединяющая

желобок только один, он чуть глубже, чем большой

фосфатные группы, показывает ход полинуклеотидной

желобок у В-ДНК, но не такой глубокий, как у А-ДНК.

спирали. Обратите внимание на зигзагообразную фор-

(С любезного разрешения A. Rich.)

и пиримидиновых нуклеотидов, принимают форму

длиной молекулы ДНК и массой одной небольшой

левой спирали. При этом расстояние между сосед-

хромосомы (табл.

1.3). Так, молекулы ДНК единст-

ними парами оснований увеличивается до 0,77 нм,

венных хромосом, из которых состоят геномы бак-

а число пар на один виток–до 12. Остов молекулы

териофагов λ и Т4, а также адено- и герпесвирусов,

ДНК имеет зигзагообразный вид, поэтому подоб-

имеют длину, соответствующую числу пар осно-

ная форма получила название Z-ДНК. Вопрос о

ваний в одной хромосоме, составляющей геном

том, существует ли Z-ДНК в естественных условиях

каждого

из

этих

вирусов. Полный геном E.coli

и

образуется

ли она в определенных участках

(~ 4•106

п.н.)

также представлен единственной

В-спирали под действием специфических белков,

молекулой ДНК и имеет длину 1,4 мм. Есть все

способных переводить В-форму в Z-форму, сейчас

основания считать, что каждая из хромосом дрож-

интенсивно исследуется (гл. 8, разд. 8.7).

жей, Drosophila и даже человека состоит из одной

молекулы ДНК размером от нескольких десятков

г. Размер молекул ДНК

тысяч до многих миллионов пар нуклеотидов.

Обычно размер молекулы ДНК выражается в

д. Разнообразие форм ДНК

числе пар нуклеотидов, при этом за единицу берется

Существовавшее до недавнего времени мнение

тысяча пар нуклеотидов (т.п.н.). Мол. масса одной

о том, что В-ДНК–это совершенная двойная спи-

т.п.н. В-ДНК равна в среднем 6,6•105, а ее длина

раль, геометрия которой одинакова независимо от

составляет 340 нм. Если принять все необходимые

нуклеотидной последовательности, в действитель-

меры, чтобы не разрушить

ДНК при

выделении,

ности не совсем корректно. Детальный рентгено-

и использовать мягкие методы измерения длины, то

структурный анализ, построение моделей и термо-

обнаружится

удивительное

соответствие

между

динамические расчеты показали, что плоскости со-

1. МОЛЕКУЛЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА

45

Таблица 1.3. Молекулярная масса, длина и тип структуры ДНК различного происхождения

Источник

Мол. масса

Длина

Число пар

Тип структуры

оснований

Бактериофаг

φХ174

1,6•106

1,6 мкм

5•1031)

Кольцевая одноцепочечная

SV40

3,5•106

1,1 мкм

5,2•103

Кольцевая двухцепочечная

Бактериофаг Т2

1,2•108

50 мкм

2•105

Линейная двухцепочечная

Хромосома

Hemophilus

influenzas

7,9•108

300 мкм

1,2•106

Неизвестен

Хромосома Escherichia

coli

2,6•109

1 мм

4•106

Кольцевая двухцепочечная

Saccharomyces cerevisiae

Хромосома 1

1,4•108

50 мкм

2,1•105

Линейная двухцепочечная

Хромосома 12

1,5•109

500 мкм

2,2•106

То же

Drosophila melanogaster

Хромосома 2

4•1010

15 мм

6,0•107

»

»

Хромосома 3

4,2•1010

16 мм

6,3•107

»

»

Хромосома 4

4•109

1,5 мм

6•106

»

»

1) В данном случае указано число оснований, а не пар оснований.

седних пар оснований не строго параллельны. Каж-

структура, то как кольцо с разрывами. По-види-

дая комплементарная пара оснований является как

мому, никакого верхнего предела для размера

бы клином, отклоняющим ось спирали в одном или

кольцевой двухцепочечной молекулы ДНК не су-

в другом направлении. Наибольший «крен» наблю-

ществует.

дается тогда, когда два соседних аденина в одной

ДНК

в клетке

обычно

находится в

комплексе

цепи спарены с двумя тиминами другой. В этом

с белками (см. разд. 1.1.ж). Связанный белок слегка

месте происходит локальное искривление спирали.

раскручивает спираль ДНК, соответственно и число

Если такие пары встречаются с периодичностью

витков спирали на единицу длины становится

примерно один раз на 10 пар (т.е. один раз на

меньше, чем у свободной В-ДНК. При удалении

каждый виток спирали), то молекула ДНК приоб-

белка восстанавливается обычное число правоза-

ретает заметно искривленную форму. Искривлен-

крученных (положительных) витков спирали. В

ная, или изогнутая, структура была, например,

линейной молекуле ДНК это происходит доста-

обнаружена в линейных фрагментах ДНК кине-

точно легко, поскольку обе цепи свободно вра-

топластов

трипаносомы Leishmania

tarentolae

по

щаются одна вокруг другой. В замкнутой же коль-

аномально малой подвижности этих фрагментов при

цевой молекуле общее число витков спирали тополо-

электрофорезе в полиакриламидном геле. Изгибы

гически фиксировано, и число оборотов одной цепи

в молекуле ДНК наблюдаются в тех участках

вокруг другой не может быть изменено без ком-

последовательности, где с необычно высокой час-

пенсаторного образования витков противополож-

тотой встречаются

повторы

(А•Т)5–6

, разделен-

ного знака где-нибудь в другом месте молекулы.

ные GC-богатыми участками из четырех-шести

Итак, когда естественные кольцевые дуплексы осво-

нуклеотидов. Биологическая роль искривления ДНК

бождаются от белков, с которыми они часто бы-

окончательно не установлена. Предрасположен-

вают связаны in

vivo,

происходит

следующее:

ность к такому изгибанию, зависящая от последо-

1) число правозакрученных (положительных) вит-

вательности оснований, может иметь значение при

ков спрали возрастает до величины, характерной

наматывании молекулы ДНК на гистоновые окта-

для В-ДНК; 2) в самом дуплексе образуется

меры в хроматине (разд. 1.1.ж). Возможно, изги-

столько же витков противоположного знака, чтобы

бание ДНК существенно и при специфическом свя-

компенсировать увеличение скрученности спирали.

зывании ДНК с белками в процессе регуляции

О таких молекулах говорят, что они обладают

экспрессии генов.

отрицательной сверхспиральностью (рис.

1.10). При

ДНК может находиться в линейной или коль-

внесении одного разрыва в сверхспиральную коль-

цевой форме (рис. 1.9). Бактериальные плазмиды,

цевую ДНК сверхспиральность снимается и коль-

хромосомы некоторых бактерий, большинство ми-

цевая структура переходит в релаксированное со-

тохондриальных и хлоропластных ДНК, геномы

стояние, при котором топологические ограничения

вирусов млекопитающих представлены единствен-

отсутствуют. Любые химические или физические

ной ковалентно замкнутой кольцевой дуплексной

изменения, приводящие к уменьшению числа витков

молекулой ДНК. Хромосома бактериофага λ на

спирали на молекулу, уменьшают или вообще сни-

разных стадиях жизненного цикла существует то как

мают отрицательную сверхспиральность в замкну-

линейная молекула, то как замкнутая кольцевая

той кольцевой ДНК.