Volume1
.pdf
38 Часть 1. Введение в мир клетки
геномами, включающими 1 000–6 000 генов. Многие гены в пределах одного организ- ма имеют значительное сходство по последовательностям ДНК, а это говорит о том, что они произошли от общего предкового гена в результате его дупликации (дублирования) и дивергенции (расхождения). Подобие (гомологичность) семейств оценивается также в ходе сравнительного анализа последовательностей генов различных видов; в результате более 200 семейств генов оказались настолько высококонсервативными, что могут быть признаны общими для большинства видов всех трех надцарств живого мира. Таким образом, зная последовательность ДНК недавно обнаруженного гена, зачастую возможно определить и его функ- цию, исходя из известной функции гомологичного гена в досконально изученном
модельном организме, таком как бактерия E. coli.
1.3. Генетическая информация эукариот
В основном, клетки эукариот более крупные и замысловатые, чем клетки прокариот, и геномы их также более крупные и сложные. Бóльший размер предполагает коренные отличия в структуре и функциях клетки. Кроме того, ядерные клетки многих классов формируют многоклеточные организмы, которые достигают уровней сложности, не превзойденных ни одним прокариотом.
Будучи столь сложно организованы, эукариоты встречают молекулярных биологов с заготовленным набором испытаний, повествование о преодолении которых поглотит нас в последующих главах этой книги. Раз за разом биологи сталкиваются
стакого рода испытаниями во время анализа и манипулирования генетической информацией на уровне клеток и организмов. Поэтому так важно в самом начале знать хотя бы кое-что о характерных особенностях генома эукариот. Мы начнем
скраткого обсуждения организации клеток эукариот и того, как она отражается на их образе жизни, а также рассмотрим отличия их геномов от таковых у прокариот. В ходе обсуждения у нас сложится общее представление о той стратегии, вооружившись которой, молекулярные биологи с помощью генетической информации пытаются постигнуть принципы жизнедеятельности организмов эукариот.
1.3.1. Вполне возможно, что ядерные клетки изначально возникли как хищники
По определению, клетки эукариот содержат свою ДНК во внутренней полости, названной ядром. Ядерная оболочка — двуслойная мембрана — окружает ядро и отделяет ДНК от цитоплазмы. Эукариоты имеют и другие особенности, которые отличает их от прокариот (рис. 1.30). Их клетки, как правило, в 10 раз больше
влинейном измерении и в 1 000 раз крупнее в объеме. Они имеют цитоскелет — систему белковых тяжей (так называемые филаменты), пронизывающих цитоплазму и формирующих совместно с многочисленными прикрепленными к ним белками систему балок, канатов и моторов, которая придает клетке механическую силу, управляет ее формой, а также осуществляет и направляет ее движения. Ядерная оболочка представляет собой лишь одну часть системы внутренних мембран, каждая из которых по своей структуре подобна плазматической мембране и окружает разнородные области пространства внутри клетки; многие из них участвуют
впроцессе переваривания пищи и выделения. Не имея жесткой клеточной стенки, свойственной большинству бактерий, клетки животных и свободно живущие клетки эукариот, названных протистами, могут быстро изменять свою форму, охватывать и поглощать другие клетки и маленькие объекты путем фагоцитоза (рис. 1.31).
Глава 1. Клетки и геномы 39
Рис. 1.30. Основные особенности ядерных клеток. На рисунке представлена типичная клетка животных,однакопочтивсетежекомпонентыимеютсяурастений,грибовиодноклеточныхэукариот,таких как дрожжи и протисты. Вдобавок к отмеченным здесь компонентам растительные клетки содержат хлоропласты, и их плазматическая мембрана окружена жесткой внешней стенкой, образованной изцеллюлозы.
Рис.1.31.Фагоцитоз.Этасериястоп-кадровизкинофильмапоказываетбелуюклеткукрови(нейтрофил) человека, поглощающую красную клетку крови (искусственно окрашенную красным), обработанную антителами.(ЛюбезностьStephenE. MalawistaиAnnedeBoisfleuryChevance.
До сих пор остается загадкой, каким образом и в какой последовательности все эти свойства развились в ходе эволюции. Однако существует довольно правдоподобное представление о том, что все они отражают образ жизни первичной клетки-эукариота, которая была хищником, живущим за счет захвата и поедания других клеток (рис. 1.32). Такой образ жизни предполагает крупную клетку с гибкой плазматической мембраной и сложным цитоскелетом, необходимым для поддержания и перемещения этой мембраны. Для такой клетки может также потребоваться, чтобы
40 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.1.32.Одноклеточныйэукариот,которыйпожираетдругиеклетки.а) Didinium—хищнаяпротиста,
принадлежащаякгруппетакназываемыхресничных.Ихшаровидноетело(около150мкмвдиаметре) окруженодвумябахромчатымикольцамиресничек—извивающихся,подобнокнуту,придатков,непре- рывносовершающихритмичныеколебания(колышутсявтакт);ихпереднийконецприплюснут—заис- ключениемодноговыпячивания,скореенапоминающегозаостренноерыло.б) Didiniumнеустанноснует втолщеводыблагодарясинхроннымдвижениямсвоихресничек.Наткнувшисьнаподходящуюдобычу (обычноэтопростейшеедругоготипа),этапротиставыпускаетмногочисленныемаленькиепарализующиестрелки(стрекательныеклетки)изобласти«рыла».ПослеэтогоDidiniumсближаетсяспораженной клеткойипожираетеефагоцитозом,выворачиваясьвнутрьипринимаяформунаподобиепологошара, чтобызахватитьсвоюжертву,котораяпочтитакогожеразмера,каконсам.(ЛюбезностьD.Barlow.)
длинные, хрупкие молекулы ДНК были изолированы в отдельной ядерной полости – для защиты генома от возможного повреждения при движении цитоскелета.
1.3.2. Ныне существующие ядерные клетки эволюционировали в результате симбиоза
Хищнический образ жизни эукариот позволяет объяснить и другую особенность этих клеток. Почти все они содержат митохондрии (рис. 1.33). Эти маленькие тельца в цитоплазме, окруженные двойным слоем мембраны, поглощают кислород и используют энергию окисления молекул питательных веществ, таких как сахара, для производства большей части АТР, обеспечивающего энергией все жизненно важные клеточные процессы. Митохондрии по размерам подобны маленьким бактериям и, подобно бактериям, имеют свой собственный геном в виде молекулы кольцевой ДНК, свои собственные рибосомы, которые отличаются от тех, которые присутствуют во всех остальных частях клетки-эукариота, и свои собственные транспортные РНК. Теперь принято считать, что митохондрии произошли от свободно живущих усваивающих кислород (аэробных) бактерий, которые были поглощены предковой клеткой-эукариотом, которая иначе никак не могла использовать кислород (то есть была анаэробной). Избежав «переваривания», эти бактерии эволюционировали
Глава 1. Клетки и геномы 41
Рис.1.33.Митохондрия.а)Поперечныйразрез,каконвыглядитвэлектронноммикроскопе.б)Рисунок митохондриисосрезаннойчастью—чтобыпоказатьтрехмернуюструктуру.в)Схематичноеизображение ядернойклетки;внутримитохондрии(внутренняяполостьокрашена)находитсямитохондриальнаяДНК ирибосомы.Обратитевниманиенагладкуювнешнююмембрануиизвилистую(волнистую)внутреннюю мембрану, на которой размещаются белки, которые производят АТР за счет окисления молекул пищи. (Снимока—любезностьDanielS.Friend.)
в симбиозе с поглотившей их клеткой и ее потомством, получая кров и пищу в обмен на энергию, производимую для своих хозяев (рис. 1.34). Такое партнерство между примитивной анаэробной хищной клеткой-эукариотом и аэробной бактериальной клеткой, как думают, утвердилось около 1,5 миллиардов лет назад, когда атмосфера Земли впервые обогатилась кислородом.
Рис.1.34.Происхождениемитохондрий.Предковаяядернаяклетка,какдумают,поглотилабактерию— предкамитохондрии—иустановиласнейсимбиотическиеотношения.
42 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.1.35.Хлоропласты.Этиорга-
неллы захватывают (поглощают) энергиюсолнечногосветаврастительныхклеткахинекоторыходноклеточныхэукариотах.а)Прирассмотрениивсветовоммикроскопе отдельной клетки, выделенной из листа цветкового растения, видны зеленые хлоропласты. б) На рисунке показан один хлоропласт,накоторомвиднаскладчатаяформасистемывнутренних мембран,содержащихмолекулы хлорофилла, которыми и поглощается свет. (Снимок а любезно предоставленPreetiDahiya.)
Клетки многих эука-
риот, а именно растений и водорослей, содержат и другую группу малень-
ких, окруженных мембраной органелл, отчасти подобных митохондриям, — хло- ропласты (рис. 1.35). Хлоропласты осуществляют фотосинтез, используя энергию солнечного света для синтеза углеводов из атмосферного углекислого газа и воды, и поставляют полученные продукты клетке-хозяину в качестве пищи. Подобно митохондриям, хлоропласты имеют свой собственный геном и, почти наверняка, возникли как симбиотическая фотосинтезирующая бактерия, приобретенная клетками, которые уже обладали митохондриями (рис. 1.36).
Рис. 1.36. Происхождение хлоропластов. Ранняя ядерная клетка, уже обладающая митохондриями, поглотила фотосинтезирующую бактерию (цианобактерию) и удержала ее в симбиозе. Все нынешние хлоропласты,как думают, ведут свою родословнуюот одного-единственного вида цианобактерии, котораябыла«усыновлена»каквнутреннийсимбионт(эндосимбионт)болеемиллиардалетназад.
Глава 1. Клетки и геномы 43
Укомплектованная хлоропластами клетка-эукариот не имеет никакой нужды преследовать другие клетки в качестве добычи: ее кормят «когда-то взятые в плен» хлоропласты, которые она унаследовала от своих предков. Соответственно, хотя клетки растений и обладают цитоскелетным «оборудованием» для движения, они потеряли способность к быстрому изменению своей формы, а также к охватыванию и поглощению других клеток фагоцитозом. Вместо этого, они создают вокруг себя жесткую защитную клеточную стенку. Если эукариот-предок действительно был хищником для других организмов, то клетки растений мы можем рассматривать как эукариот, которые перешли от охоты к сельскому хозяйству.
Грибы представляют собой еще один устоявшийся образ жизни эукариот. Клетки грибов, подобно клеткам животных, обладают митохондриями, но в них отсутствуют хлоропласты; и, в отличие от клеток животных и протист, они имеют жесткую внешнюю стенку, которая ограничивает их способность к быстрому движению или поглощению других клеток. Грибы, по-видимому, превратились из охотников в мусорщиков: другие клетки выделяют питательные вещества или высвобождают их, умирая, а грибы питаются этими остатками, осуществляя все необходимые для переваривания процессы внеклеточно – с помощью выделяемых вовне пищеварительных ферментов.
1.3.3. Эукариоты обладают гибридными геномами
Генетическая информация ядерных клеток имеет гибридное происхождение: от предкового анаэробного эукариота и от бактерий, которых он приютил как своих симбионтов. Бóльшая часть этой информации заключена в ядре, но малое ее количество остается в митохондриях и — у клеток растений и водорослей — в хлоропластах. Митохондриальная ДНК и ДНК хлоропластов могут быть отделены от ядерной ДНК и отдельно проанализированы и секвенированы. Как было обнаружено, геномы митохондрий и хлоропластов являются вырожденными: они представляют собой урезанные версии соответствующих бактериальных геномов и не имеют генов, кодирующих многие важнейшие функции. В клетке человека, например, геном митохондрий состоит всего лишь из 16 569 пар нуклеотидов и кодирует всего 13 белков, два компонента рибосомной РНК и 22 транспортные РНК.
Не все гены, которые отсутствуют в митохондриях и хлоропластах, были потеряны; вместо полного исчезновения многие из них так или иначе переместились из генома симбионта в ДНК ядра клетки-хозяина. Ядерная ДНК людей содержит большое число генов, кодирующих белки, которые обслуживают основные функции митохондрий; у растений ядерная ДНК также содержит много генов, кодирующих белки, необходимые хлоропластам.
1.3.4. Геномы эукариот огромны
Естественный отбор, очевидно, благоприятствовал митохондриям с малыми геномами точно так же, как он благоволил к бактериям с их малыми геномами. В противоположность этой картине большинство эукариот, кажется, обладало полной свободой в плане увеличения своих ядерных геномов. Возможно, образ жизни эукариот обратил большой размер в преимущество: хищники обычно бывают крупнее своей добычи, а размер клетки, как правило, увеличивается пропорционально размеру генома. Возможно и то, что увеличение генома было вызвано накоплением паразититирующих на ДНК мобильных элементов генома (поговорим о них в главе 5) — «эгоистичных» фрагментов ДНК, которые способны вставлять свои копии
44 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.1.37.Сравнениеразмеровгеномов.РазмергеномаизмеряютвпарахнуклеотидовДНКнагаплоидныйгеном,тоестьнаоднукопиюгенома.(Клеткиорганизмов,воспроизводящихсяполовымпутем, как мы с вами, как правило, являются диплоидными: они содержат две копии своего генома, одна изкоторыхунаследованаотматери,адругая—ототца.)КоличествоДНКвгеномахблизкородственных организмовможетизменятьсявширокихпределах,дажееслитакиегеномысодержатодинаковоечисло различныхвфункциональномотношениигенов.(ДанныезаимствованыизW. H. Li,MolecularEvolution,
pp.380–383.Sunderland,MA:Sinauer,1997.)
вмногочисленные участки генома. Как бы мы это ни объясняли, геномы большинства эукариот на несколько порядков крупнее, чем у бактерий и архей (рис. 1.37). А свобода безмерного расточительства ДНК имела глубокие последствия.
Эукариоты не только превосходят прокариот по числу генов; они также имеют значительно больше ДНК, которая не кодирует ни белок, ни какие-либо другие функционально активные продукты. По сравнению с геномом типичной бактерии, геном человека содержит в 1 000 раз больше пар нуклеотидов, в 20 раз больше генов и приблизительно в 10 000 раз больше некодирующей ДНК (≈ 98,5 % генома человека являются некодирующими, в отличие от 11 % генома бактерии E. coli).
1.3.5. Геномы эукариот богаты регуляторной ДНК
Значительная доля нашей некодирующей ДНК, почти несомненно, представляет собой ничего не значащий хлам, сохранившийся, подобно кипе старых бумаг, потому, что пока стенки архива не начнут трещать по швам, проще сохранять в нем все, чем отбирать ценную информацию и избавляться от всего остального. Некоторые исключительные в своем роде виды эукариот, такие как рыбы-собаки (рис. 1.38), обличают мотовство своих сородичей; они так или иначе сумели избавиться от больших количеств некодирующей ДНК. И, несмотря на это, по своему строению, поведению и приспособленности они остались во многом подобными родственным им видам, которые имеют значительно больше такой ДНК.
Глава 1. Клетки и геномы 45
Рис.1.38.Севернаярыба-собака(Fugu rubripes). Этоторганизм имеетгеномразмером400миллионовпарнуклеотидов,что составляет около четверти генома полосатого данио, — и это притом, что рыбы этих двух видов имеют одинаковое число генов.(ПерерисовкасгравюрынадеревеХиросиге(Hiroshige)
любезнопредоставленаArtsandDesignsofJapan.)
Даже в компактных геномах эукариот, таких как геном северной рыбы-собаки, содержится
больше некодирующей, чем кодирующей ДНК, и по крайней мере часть некодирующей ДНК определенно выполняет важные функции. В частности, она регулирует экспрессию смежных с ней генов. Посредством регуляторной ДНК эукариоты в ходе эволюции приобрели характерные способы управления временем и местом ввода генов в игру. Столь замысловатая регуляция генов лежит в основе формирования сложных многоклеточных организмов.
1.3.6. Геном определяет программу многоклеточного развития
Клетки отдельно взятого животного или растения на удивление разнообразны. Жировые клетки, клетки кожи, костные клетки, нервные клетки — все они кажутся настолько разными, насколько вообще могут отличаться клетки. И все же клетки всех этих типов являются потомками одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки и все они (за незначительными исключениями) содержат идентичные копии генома, присущего данному биологическому виду.
Все видимые и невидимые различия между клетками обусловлены различиями в способе избирательного прочтения каждой клеткой своих генетических инструкций сообразно с сигналом, получаемым в ходе эмбрионального развития из окружающей среды. Однако ДНК – это не просто список, в точности предписывающий набор необходимых клетке молекул, а клетка – вовсе не результат выполнения всех пунктов данного списка. Напротив, клетку можно уподобить многоцелевой машине, снабженной датчиками, улавливающими воздействия факторов окружающей среды, и обладающей хорошо развитыми способностями вызывать к действию различные наборы генов, руководствуясь последовательностями принятых сигналов. Имеющийся в каждой клетке геном достаточно объемен и вмещает всю информацию, необходимую для описания целого многоклеточного организма, хотя в любой отдельной клетке используется только определенная часть этой информации.
Немалая доля генов в геноме эукариот кодирует белки, которые регулируют действия других генов. Бóльшая часть таких белков, предназначенных для регулирования генов, действует путем связывания — непосредственного или опосредствованного — с регуляторной ДНК, примыкающей к генам, которыми надлежит управлять (рис. 1.39), или же путем вмешательства в работу других белков, причастных к управлению этими же генами. Поэтому расширенный геном эукариот описывает не только аппаратные средства клетки, но также хранит программные средства, используемые для управления этой аппаратурой (рис. 1.40).
Клетки не только пассивно получают сигналы, но и активно обмениваются ими со своими соседями. Таким образом, всеми клетками развивающегося многоклеточного организма руководит одна и та же система управления, но с различными для каждой отдельно взятой клетки последствиями, зависящими от сообщений
46 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис. 1.39. Считывание генов управляется сигналами внешней среды. Регуляторная ДНК позволяет регуляторнымбелкамуправлятьэкспрессиейгена,аэтирегуляторныебелки,всвоюочередь,являются продуктамиэкспрессиидругихгенов.Наэтойсхемепоказано,какэкспрессиягенаклеткирегулируется посигналу,поступающемувклеткуизвнешнейсреды.Первоначальноедействиесигнала—активировать регуляторныйбелок,ужеимеющийсявклетке;такойсигналможет,например,запуститьприсоединение фосфатнойгруппыкрегуляторномубелку,чтоприведеткизменениюегохимическихсвойств.
Рис.1.40.Генетическоеуправление программойразвитиямногоклеточ-
ногоорганизма.Рольрегуляторного гена ярко проявляется у львиного зеваAntirrhinum.Вэтомпримеремутация в одном-единственном гене, кодирующем регуляторный белок, приводит к развитию лиственных побегов вместо цветков: поскольку регуляторный белок был изменен, клетки приобретают признаки, которые не характерны для растения в состоянии нормы. Мутант — сле- ва,нормальноерастение—справа. (ЛюбезностьEnricoCoenиRosemary Carpenter.)
Глава 1. Клетки и геномы 47
между этой клеткой, системой управления и более или менее удаленными соседними клетками. Как это ни удивительно, результатом такого взаимодействия является упорядоченное множество находящихся в разных состояниях клеток, каждая из которых проявляет свойство, которое соответствует ее назначению в многоклеточной структуре организма.
1.3.7. Многие эукариоты живут в виде обособленных клеток — протист
Многие виды клеток эукариот ведут жизнь одиночек: одни как охотники (простейшие), другие как фотосинтезирующие (одноклеточные водоросли), некоторые как мусорщики (одноклеточные грибы или дрожжи). Рис. 1.41 лишь отчасти передает удивительное многообразие форм таких одноклеточных эукариот, или протист. Анатомия простейших часто оказывается очень тонкой и включает в себя такие структуры, как чувствительные щетинки, фоторецепторы, волнообразно колеблющиеся реснички, ложноножки, части ротового аппарата, жалящие стрелки
иподобные мускулу сокращающиеся пучки. Хотя простейшие и являются отдельными клетками, они могут быть столь же замысловатыми, столь же вездесущими
иобладать столь же сложным поведением, как многие многоклеточные организмы
(см. рис. 1.32).
Вотношении родословной и последовательностей ДНК протисты намного более разнообразны, чем многоклеточные животные, растения и грибы, которые
Рис. 1.41. Пестрая подборка протист: скромная выборка из чрезвычайно разнообразного класса организмов. Рисунки сделаны в различных масштабах, но в каждом случае масштабная линия представляет 10 мкм. Организмы на видах а, б, д, е и и — ресничники; в — эвгленообразное; г — амеба;
ж — динофлагеллят; з — солнечник. (Из M. A. Sleigh, Biology of Protozoa. Cambridge, UK: Cambridge UniversityPress,1973.)