Volume1

368 Часть 2. Основные генетические механизмы

хромосом могут перемещаться, по мере того как в них протекают различные биохимические процессы, например, при изменении уровней экспрессии расположенных в них генов (рис. 4.66). Есть данные, что некоторые из таких ядерных областей помечены различными инозитолфосфолипидами, что напоминает способ, которым те же липиды используются для обозначения отличий различных мембран в цитоплазме (см. рис. 13.11). Но к чему эти липиды прикрепляются внутри ядра — тайна, поскольку единственные известные обогащенные липидами среды — липидные бислои ядерной оболочки.

Рис. 4.66. Перемещение генов в различные области ядра при изменении уровней их экспрессии.

Внутреннеепространствоядравесьмаразнородно,иразличныевнутриядерныеобласти,какизвестно, оказываютразличноевоздействиенаэкспрессиюгенов.Перемещениянаподобиепоказанныхнаданном рисункепредположительноотражаютизменениявсродствесвязываниямеждухроматиномимолекуламиРНК,окружающимиген,сразличнымивнутриядернымиобластями.Похоже,чтотакоедвижение происходитзасчетдиффузииинетребуетрегуляциинаправлениядвижения,посколькукаждаяобласть хромосомы,будучипомеченаспособом,позволяющимотслеживатьееположениевживойклетке,как можнонаблюдать,претерпеваетпостоянноебеспорядочноедвижение.

4.4.6.  Сети макромолекул образуют набор различных биохимических сред внутри ядра

В главе 6 мы описываем функцию разнообразных субкомпартментов, которые существуют внутри ядра. Наиболее крупным и наиболее заметным из них является ядрышко — структура, уже в XIX столетии хорошо известная исследователям, использовавшим микроскопы (см. рис. 4.9). Области ядрышка состоят из образованных молекулами РНК и белков сетей, окружающих транкрибируемые гены рибосомной РНК, и часто существуют в виде множественных ядрышек. Ядрышко представляет собой участок клетки для сборки и созревания рибосом, а также место протекания множества иных специализированных реакций.

Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 369

Рис.4.67.Электронныймикрофотоснимок,накоторомпоказаны двараспространенныхфибриллярныхядерныхсубкомпартмента.

Больший из представленных на рисунке шаров — тельце Кахаля. Меньший,болеетемныйшар—скоплениегранулпромежуточного хроматина, которое называется крапинкой (см. также рис. 6.49). Эти «субъядерные органеллы» засняты в ядре ооцита Xenopus. (Заимствовано из K. E. Handwerger and J. G. Gall, Trends Cell Biol. 16:

19–26,2006.СлюбезногоразрешенияиздательстваElsevier.)

В ядре присутствует также огромное разнообразие менее заметных органелл. Например, в большинстве растительных и животных клеток присутствуют шарообразные структуры, называемые тельцами Кахаля, и скопления гранул промежуточного хроматина

(рис. 4.67). Подобно ядрышку, эти органеллы состоят из определенных молекул белка и РНК, что связываются друг с другом и образуют сети, которые являются хорошо проницаемыми для других

молекул белка и РНК, взвешенных в окружающей нуклеоплазме (рис. 4.68)

Рис.4.68.Эксперимент,которыйпоказывает,чтосубъядерныеорганеллыхорошопроницаемыдляма-

кромолекул.Наэтихмикрофотографияхпредставленыядраживогоооцита:вверхнемрядусравнивается флуоресценциявнутреннихпространствядрышек,телецКахаляикрапиноксфлуоресценциейокружающей нуклеоплазмы – спустя 12 часов после того, как флуоресцентные декстраны отмеченной молекулярной массыбыливведенывнуклеоплазму.Яркостькаждойорганеллыотражаетеепроницаемость,приэтомнаи- болеепроницаемаяорганелла—самаяяркая.Длясравнениявнижнемрядупредставленыполученныена обычномсветовоммикроскопемикрофотографиитехжесамыхпрепаратов,приэтомядрышконакаждом полевыделенокоричневымцветом.ТельцаКахаля,какможновидеть,болеепроницаемы,чемядрышки. Однакоколичественныйанализпоказывает,чтововсеорганеллыпоступаетбольшаядолядекстрана,что относитсяикнаиболеекрупнымегомолекулам.(ЗаимствованоизK. E. Handwerger,J. A. CorderoandJ. G. Gall,

Mol.Biol.Cell16:202–211,2005.СлюбезногоразрешенияAmericanSocietyofCellBiology.)

370 Часть 2. Основные генетические механизмы

Структуры наподобие этих могут создавать различные биохимические среды путем обездвиживания избранных групп макромолекул, как это могут делать и другие сети из молекул белков и РНК, связанные с ядерными порами и ядерной оболочкой. В принципе, это позволяет с большой эффективностью преобразовывать молекулы, которые входят в эти пространства и поступают в подготовленные для них сложные пути прохождения реакций. Высокопроницаемые волокнистые сети такого вида, отделяя пространство реакции (см. разд. 3.2.30), проходящей в ядре, могут таким образом обеспечивать многие кинетические преимущества (рис. 4.69, а). Однако, в отличие от охваченных мембранами полостей в цитоплазме (обсуждаем в главе 12), такие ядерные субполости — не имеющие мембраны из двойного липидного слоя, — не могут ни концентрировать, ни исключать определенные маленькие молекулы.

Клетка имеет замечательную способность создавать или даже обустраивать различные биохимические среды внутри ядра. Известные к настоящему времени данные облегчают понимание различных аспектов экспрессии генов, о чем мы поговорим в главе 6 (см. рис. 6.49). Подобно ядрышку, такие субполости, кажется, образуются только в случае необходимости и обеспечивают высокую локальную концентрацию множества различных ферментов и молекул РНК, необходимыхдля протекания конкретного процесса. Аналогичным образом, после повреждения ДНК облучением, наблюдается скопление ряда ферментов, необходимых для осущест-

Рис. 4.69. Эффективная компартментализация без двухслойной мембраны. а) Схематическая иллю-

страция организации шарообразной субъядерной органеллы (слева) и гипотетического компартмента с подобнойорганизацией,расположенногосразуподоболочкойядра(справа).Вобоих случаях молекулыРНКи(или)белков(серые)объединяютсясобразованиемвысокопористыхгелеобразныхструктур, которые содержат участки связывания для других специфических молекул белков и РНК (разноцветные объекты). б) Показано, как связывание подобранного набора молекул белков и РНК с длинными гибкими полимерными цепями, как в а, может формировать «плацдарм», на котором созданы все условиядляускоренияреакцийвкомпартментахядра.Типкатализируемыхреакцийбудетзависетьот специфических макромолекул, которые сосредоточиваются на этих участках. Конечно, ожидается, что в подобных компартментах всех остальных областей клетки реакции ускоряются таким же способом

(см.такжерис.3.80,в).

Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 373

структурных особенностей по длине митотической хромосомы по крайней мере грубо отражает порядок генов на молекуле ДНК. Таким образом, конденсацию митотической хромосомы можно рассматривать как заключительный уровень в иерархии упаковки хромосомы (рис. 4.72).

Компактизация хромосом во время митоза — высокоорганизованный и динамичный процесс, который служит по крайней мере двум важным целям. Во-первых, когда конденсация завершена (в метафазу), сестринские хроматиды «развязываются» и просто пребывают рядом. Таким образом, сестринские хроматиды могут легко отделиться, когда митотический аппарат начинает разводить их в разные стороны. Во-вторых, компактность хромосом предохраняет относительно хрупкие молекулы ДНК от разрыва, когда их растягивают по обособляющимся дочерним клеткам.

Конденсация интерфазных хромосом в митотические хромосомы начинается

вранней М-фазе и теснейшим образом сопряжена с протеканием клеточного цикла, о чем будет подробно рассказано в главе 17. Во время М-фазы экспрессия генов прекращается и над гистонами производятся специфические модификации, способствующие реорганизации хроматина при его уплотнении. В компактизации хроматина участвует класс белков, названных конденсинами, которые используют энергию гидролиза ATP для осуществления спирализации обеих молекул ДНК интерфазной хромосомы и образования пары хроматид митотической хромосомы. Конденсины представляют собой крупные белковые комплексы, построенные из белковых димеров SMC: эти димеры образуются, когда два жестких продолговатых белковых мономера соединяются своими «хвостами» и образуют шарнир, оставляя два шаровидных «головных» домена на другом конце – они связывают ДНК и гидролизуют ATP (рис. 4.73). Будучи добавленными к очищенной ДНК, конденсины могут формировать крупные правосторонние петли в молекулах ДНК за счет реакции, которая требует ATP. Хотя еще не известно, как они воздействуют на хроматин, модель «скручивания в кольцо», представленная на рис. 4.73, в, основана на том факте, что конденсины выступают главным структурным компонентом, который

вконечном счете оказывается в стержне метафазных хромосом; при этом одна молекула конденсина приходится приблизительно на каждые 10 000 нуклеотидов ДНК (рис. 4.74). Когда конденсины экспериментально удаляются из клетки, уплотнение хромосомы по-прежнему происходит, но сам процесс идет неправильно.

Заключение

Хромосомы, как правило, разуплотнены во время интерфазы, так что особенности их структуры трудно зрительно отобразить. Известные ис- ключения — специализированные хромосомы типа ламповых щеток в ооцитах позвоночных и политенные хромосомы в гигантских секреторных клетках на- секомых. Исследования этих двух типов интерфазных хромосом предполагают, что каждая длинная молекула ДНК в хромосоме разделена на большое число обособленных доменов, организованных в виде петель хроматина, при этом каждая петля, вероятно, состоит из 30-нм хроматиновой фибриллы, которая компактизуется дальнейшей укладкой. Когда гены, содержащиеся в петле, экспрессируются, петля развертывается и стягивается, что позволяет вну- триклеточным машинам добраться до ДНК.

Интерфазные хромосомы занимают дискретные территории в ядре клетки;

то есть они особо не переплетаются друг с другом. Бóльшую часть интерфазных

Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 375

Рис. 4.74. Местоположение конденсина в сжатых митоти-

ческих хромосомах. а) Полученный при помощи флуоресцентноймикроскопииснимокхромосомычеловекавовремя митоза,окрашеннойантителом,котороевыявляетместоположение конденсина. В хромосомах, которые столь высоко уплотнены, конденсин, как видно, сосредоточен в точечных структурах, расположенных на оси хромосомы. В подобных экспериментах показано, что аналогичное местоположение занимает и ДНК-топоизомераза II — фермент, который производит обратимые двунитевые разрезы в ДНК, что позволяет одной двойной спирали ДНК проходить через другую (см.рис.5.23).б)Иммунозолотаяэлектроннаямикроскопия показывает местоположение конденсина (черные точки). Здесь хроматида наблюдается в поперечном срезе, то есть осьхромосомыперпендикулярнаплоскостибумаги.(Изобра-

жениеазаимствованоизK. MaeshimaandU. K. Laemmli,Dev. Cell4:467–480,2003.Слюбезногоразрешенияиздательства Elsever. Изображение б любезно предоставлено U. K. Laemmli, опубликовано в K. Maeshima, M. Eltsov and U. K. Laemmli,

Chromosoma 114: 365–375, 2005. С любезного разрешения издательстваSpringer.)

органеллы, такие как ядрышки или тельца Кахаля; они могут также быть прикреплены к стационарным структурам, таким как ядерная оболочка.

Во время митоза экспрессия генов приостанавливается, и все хромосомы принимают высококонденсированную конформацию в ходе процесса, который начинается в ранней М-фазе и обеспечивает упаковку двух молекул ДНК каж- дой реплицированной хромосомы в виде двух отдельно свернутых хроматид. Этот процесс сопровождается модификациями гистонов, которые облегчают упаковку хроматина. Однако удовлетворительный исход этого упорядоченного процесса, который уменьшает линейные размеры всех молекул ДНК по срав- нению с длиной их интерфазных форм еще в десять раз, возможен лишь в при-

сутствии белков конденсинов.

4.5.  Пути эволюции геномов

В этой главе мы рассмотрели структуру генов и способы их упаковки и обустройства в хромосомах. В этом заключительном параграфе мы приводим краткий обзор некоторых путей, которыми гены и геномы эволюционировали с течением времени и породили богатое разнообразие современных форм жизни на нашей планете. Секвенирование геномов произвело переворот в нашем понимании процесса молекулярной эволюции, раскрыв удивительное богатство информации о специфических семейственных узах среди организмов, а так же осветив эволюционные механизмы в более широком ракурсе.

Возможно, нет ничего удивительного в том, что гены с подобными функциями можно встретить у самых разных живых существ. Но величайшим откровением за последние 25 лет стало открытие, что фактические нуклеотидные последовательности многих генов достаточно хорошо сохраняются со временем, так что гомологичные гены — то есть гены, которые являются подобными как в отношении их нуклео-

376 Часть 2. Основные генетические механизмы

тидной последовательности, так и в плане их функции в силу происхождения от общего предка, — могут нередко быть идентифицированы, несмотря на огромные филогенетические расстояния. Например, несомненные гомологи многих генов человека легко обнаружить в таких организмах, как червь нематода, плодовая мушка, дрожжи и даже бактерии. Во многих случаях сходство настолько близкое, что кодирующую белок часть гена дрожжей можно заменить ее гомологом от человека, при том что нас от дрожжей отделяет более миллиарда лет эволюции.

Как подчеркивалось в главе 3, распознавание подобия последовательностей стало главным инструментом для установления функции гена и белка. И хотя сов-падение последовательностей не гарантирует подобия их функций, оно оказывается превосходным ключом к установлению функций. Таким образом, функцию тех генов человека, о которых не имеется никакой биохимической или генетической информация, часто возможно предсказать путем простого сравнения их нуклеотидных последовательностей с последовательностями соответствующих генов других организмов.

Вообще, последовательности генов более консервативны, чем структура генома в целом. Как мы видели ранее, другие особенности организации генома, такие как размер генома, число хромосом, порядок расположения генов по длине хромосом, обилие и размер интронов, а также количество повторов ДНК, как оказалось, сильно отличаются у разных организмов, как и число генов, имеющихся в распоряжении особи того или иного вида.

Число генов лишь очень слабо согласуется с фенотипической сложностью организма (см. таблицу 1.1). Значительная часть увеличения числа генов, наблюдаемого с возрастанием биологической сложности, приходится на расширение семейств близкородственных генов — наблюдение, которое ставит дупликацию и расхождение генов на место главных эволюционных процессов. И в самом деле, весьма вероятно, что все ныне существующие гены являются потомками — через процессы дупликации, расхождения и перераспределения сегментов гена — нескольких предковых генов, которые имелись в наличии у первых форм жизни.

4.5.1.  Изменения генома вызваны сбоями нормальных механизмов копирования и поддержания ДНК

Клетки в зародышевой линии не имеют специализированных механизмов для внесения изменений в структуру своих геномов: вместо этого, эволюция зависит от аварий и ошибок, сопровождаемых обусловленной выживаемостью организмов. Большинство происходящих генетических изменений является всего лишь результатом отказов в функционировании нормальных механизмов, при помощи которых геномы копируются или восстанавливаются при повреждении, хотя перемещение элементов подвижной ДНК также играет заметную роль в этом деле. Как мы будем говорить в главе 5, механизмы, которые поддерживают последовательности ДНК, удивительно точны — однако они не совершенны. Например, благодаря сложным устройствам механизмов репликации ДНК и систем репарации ДНК, клетки могут передавать последовательности ДНК по наследству с невероятной точностью, и в одной линии родословной примерно только одна из тысячи пар нуклеотидов зародышевой линии изменяется случайным образом за каждый миллион лет. Даже в таком случае в популяции из 10 000 диплоидных особей каждая возможная замена нуклеотидов будет «опробована» приблизительно в 20 случаях на протяжении миллиона лет — короткий промежуток времени в масштабе эволюции видов.

Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 377

Ошибки при репликации ДНК, рекомбинации ДНК или репарации ДНК могут вести или к простым изменениям в последовательности ДНК — типа замены одной пары оснований на другую, или к крупномасштабным перестройкам генома — типа делеций, дупликаций, инверсий и транслокаций ДНК из одной хромосомы в другую. Вдобавок к такого рода сбоям в генетических машинах важным источником изменения генов выступают различные элементы подвижной ДНК, которые будут описаны в главе 5 (см. таблицу 5.3, стр. 486). Такие мобильные элементы ДНК (транспозоны) представляют собой последовательности ДНК паразитов, которые заселили геномы и могут распространяться в их пределах. В процессе этого они зачастую нарушают функцию или изменяют регулирование существующих генов. При случае они могут даже создать в совокупности новые гены через слияние между последовательностями транспозонов и сегментами существующих генов. За длительные периоды времени эволюции транспозоны глубоко затронули структуру геномов. Фактически почти половина ДНК в геноме человека имеет распознаваемое подобие с известными последовательностями транспозонов, а это говорит о том, что эти последовательности являются следами свершившихся в прошлом событий транспозиции (см. рис. 4.17). Вполне очевидно, что даже еще более весомая доля нашего генома порождена событиями транспозиции, которые произошли так давно (> 108 лет), что связь этих последовательностей с транспозонами уже не удается проследить.

4.5.2.  Последовательности геномов организмов двух видов различаются пропорционально промежутку времени, в течение которого они эволюционировали независимо друг от друга

Различия между геномами видов, живущих сегодня, накопились за более чем 3 миллиарда лет. Не имея точной записи изменений, происходивших во времени, мы можем тем не менее восстановить процесс эволюции геномов на основании детального сравнения геномов современных организмов.

Основной инструмент сравнительной геномики — филогенетическое дерево. Простой пример — дерево, описывающее расхождение человека и человекообраз-

Рис. 4.75. Филогенетическое дерево, показывающее отношения родства между человеком и человекообразнымиобезьянами,установленныенаоснованииданныхсравнениянуклеотидныхпоследова-

тельностей. Как отмечено, последовательности геномов всех четырех видов, по оценкам, отличаются от последовательностигеномаихпоследнего общего предка немногим более чем на 1,5 %.Посколькуизмененияпроисходятне-

зависимо в обеих расходящихся линиях родословной, постольку попарные сравнения показывают вдвое более сильное расхождение последовательностей от последнего общего предка. Например, сравнение человек – орангутан обычно дает расхождение последовательностей немногим более 3 %, тогда как сравнение человек – шимпанзепоказываетрасхожде- ниеприблизительно1,2 %.(Переработано изF. C. ChenandW. H. Li.Am.J.Hum.Genet. 68: 444–456, 2001. С любезного разреше-

нияUniversityofChicagoPress.)