Экспрессия генов Патрушев

21

биохимический процесс циклически повторяется, он получил название клеточного цикла. Индивидуальное (онтогенетическое) развитие, как правило, начинается с первого деления стимулированного к этому яйца (яйцеклетки) и завершается только с наступлением его смерти – распада организма как целого в результате обрыва ключевых внутренних связей между системами его жизнеобеспечения. Основное внутреннее событие жизни организма – деление клеток – находится под строгим внутренним и внешним генетическим контролем. Даже изолированная соматическая клетка способна лишь к ограниченному количеству делений в питательной среде. Количественный контроль числа клеточных делений лежит в основе органогенеза (формирования органов и тканей). Нарушение механизмов контроля пролиферации клеток приводит к безудержному делению клеток, образованию бесформенной клеточной массы – опухоли, способной задушить организм изнутри. Однако в процессе нормального онтогенетического развития изменяется не только число соматических клеток, но и их качественный состав.

Дифференцировка клеток. Способность органов и тканей осуществлять свои специфические функции целиком зависит от наличия в них специализированных клеток. В частности, организм взрослого человека составлен из ~1014–1015 клеток более чем 100 различных типов. На самых ранних стадиях развития зародыша многоклеточного организма составляющие его клетки внешне очень похожи друг на друга. По мере продолжения онтогенеза пути многих из них далеко расходятся. Происходит дифференцировка клеток, приобретение ими специализированных функций. Морфологические различия, выявляемые у специализированных клеток, определяются особым составом и внутриклеточной организацией их молекул. Появление таких особенностей на молекулярном уровне также контролируется генами. В специализированных (дифференцированных) клетках или их предшественниках кроме генов, экспрессирующихся в клетках всех типов, работают особые группы генов. Переключение экспрессии одних групп генов на другие, подключение к экспрессии новых генов и прекращение работы старых в дифференцирующихся клетках также находится под строгим генетическим контролем.

Апоптоз. Еще одним важным событием индивидуального развития организма является полное замещение одних групп клеток другими. При этом

22

конечные стадии процесса замены контролируются самими замещаемыми клетками. На определенной стадии развития эмбриона в ответ на сигналы окружающих тканей внутри удаляемых клеток происходит активация группы генов, запускающих их саморазрушение – апоптоз. Апоптоз является одним из проявлений принципа самоочищения организма, когда для становления и сохранения целого многоклеточный организм жертвует небольшой частью своих соматических клеток. Действительно, другой не менее важной стороной этого процесса является защита организма от клеток с необратимо поврежденным генетическим аппаратом, поскольку в этом случае возникает опасность их неконтролируемого роста и гибели целого организма. В том случае, если повреждения генетического аппарата клетки невозможно восстановить, клетка совершает самоубийство.

С учетом всего сказанного можно без преувеличения утверждать, что пролиферация, дифференцировка и апоптоз соматических клеток определяют ключевые моменты внутренней жизни многоклеточного организма.

Гены. В соответствии с центральным постулатом молекулярной биологии принято считать, что генетическая информация, необходимая для индивидуального развития организма, заключена в его генах, которые представляют собой последовательности нуклеотидов молекул ДНК и РНК. Гены содержат информацию о составных частях организма: совокупности большого числа высоко- и низкомолекулярных химических соединений, образующих его клетки, ткани и органы. При этом данные о структуре почти всех низкомолекулярных соединений, называемых метаболитами, закодированы в генах не прямо, а косвенно. Фактически эта информация является лишь программой биосинтеза метаболитов. Сама же структура и взаимодействие метаболитов друг с другом определяются биологическими катализаторами белковой природы – ферментами, которые и осуществляют необходимые их взаимопревращения – метаболизм.

Генетическая информация о структуре белков и ферментов скрыта в генах не так глубоко. Благодаря существованию универсального триплетного генетического кода, последовательности нуклеотидов генов однозначно определяют последовательности аминокислот полипептидных цепей конкретных белков. Декодирование информации о структуре белков и нуклеиновых кислот, сопровождаемое их биосинтезом, является важнейшим

23

промежуточным (но не конечным) результатом функционирования (экспрессии) генов любого организма.

Экспрессия генов. В норме экспрессия генов обеспечивает существование организма как целого от начальных до завершающих стадий индивидуального развития – от первых делений стимулированной яйцеклетки до естественной смерти организма. Однако более широкий подход к проблеме экспрессии генов должен учитывать не только биохимические последствия их работы на молекулярном, надмолекулярном и организменном уровне, но и генетически детерминированные поведенческие реакции групп особей в популяции, а следовательно, и механизмы генетического контроля развития самих популяций, включая цивилизацию.

При реализации запрограммированных фенотипических эффектов работающие вместе гены и продукты их экспрессии правильно декодируют адресованные им (и только им) регуляторные сообщения на всех уровнях и адекватно на них отвечают. Адресная доставка и расшифровка как регуляторных сигналов, так и самой генетической информации, заключенной в генах, становятся возможными благодаря осуществлению высокоспецифических молекулярных взаимодействий.

Специфичность всех биохимических реакций обеспечивается способностью высокомолекулярных соединений организма безошибочно распознавать друг друга и низкомолекулярные метаболиты. Специфическое межмолекулярное узнавание, которое определяет упорядоченное протекание всех генетических процессов, осуществляется, по крайней мере, на трех уровнях. На первом уровне (в соответствии с последовательностью основных событий, происходящих при реализации генетической информации) имеет место специфическое распознавание друг друга нуклеиновыми кислотами. Цепи одной молекулы ДНК взаимодействуют между собой по принципу комплементарности в соответствии с правилами Уотсона–Крика, что характерно и для соответствующих контактов ДНК с РНК, а также для взаимодействия молекул РНК друг с другом. Такой тип взаимодействий лежит в основе самовоспроизведения генетической информации и ее передачи от нуклеиновых кислот к нуклеиновым кислотам или белкам. Второй уровень обеспечивается белково–нуклеиновым узнаванием. Этот крайне важный тип взаимодействий регулирует экспрессию генов и способствует упорядоченному

24

метаболизму нуклеиновых кислот. И, наконец, взаимодействие белков друг с другом, с иными макромолекулами клеток или с низкомолекулярными лигандами делает возможной сборку молекулярных и надмолекулярных комплексов, обеспечивающих направленное протекание метаболических процессов, и лежит в основе морфогенеза организмов. Кроме всего прочего, этот тип взаимодействий может изменять специфичность действия белков и индуцировать в них новую активность.

Постепенно становится ясно, что во время реализации генетической информации в процессе биосинтеза нуклеиновых кислот, белков и ферментов формируются сложные пространственные структуры из белков и нуклеиновых кислот в результате их самоорганизации, часто при участии других молекул клетки. Самоорганизация синтезированных макромолекул приводит к образованию пространственных внутриклеточных межмолекулярных структур, клеточных органелл и, в конечном счете, самих клеток, которые в совокупности создают многоклеточный организм, законы функционирования и предназначение которого во многом остаются непонятными и сегодня.

25

ГЛАВА 1. ГЕНОМ

Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Сейчас хорошо известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими ("избыточными") последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом,

основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Однако генетическую информацию в клетках содержат не только хромосомы ядра. Жизненно важная генетическая информация бывает заключена и во внехромосомных молекулах ДНК. У бактерий к таким ДНК относятся плазмиды и некоторые умеренные вирусы, в клетках эукариот – это ДНК хлоропластов, митохондрий и других пластид. Более того, объемы генетической информации, заключенной в клетках зародышевой линии (предшественники половых клеток и сами гаметы) и соматических клетках, в ряде случаев существенно различаются. В онтогенезе соматические клетки могут утрачивать часть генетической информации клеток зародышевой линии, амплифицировать группы последовательностей и(или) значительно перестраивать исходные гены. Следовательно, под геномом организма в настоящее время понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма. Однако сформулировать определение генома отдельного биологического вида в целом не так просто. В таком определении необходимо учитывать, во-первых, генетические различия, связанные с полом организма, поскольку мужские и

26

женские половые хромосомы различаются. Во-вторых, из-за громадного числа аллельных вариантов генов и сопутствующих последовательностей, которые присутствуют в генофонде больших популяций, можно говорить лишь о некоем усредненном геноме, который сам по себе может обладать существенными отличиями от геномов отдельных особей.

Как видно из табл. I.1, размеры геномов организмов разных видов значительно отличаются друг от друга. При этом часто не наблюдается корреляции между уровнем эволюционной сложности биологического вида и размером его генома.

Таблица I.1

Средний размер гаплоидного генома у некоторых групп организмов

27

Суммарное количество ДНК в гаплоидном геноме принято обозначать латинским символом С. В 1978 г. Т. Кавалье-Смит описал в качестве парадокса наблюдение того, что у эукариот транскрибируется лишь незначительная часть последовательностей нуклеотидов генома ( 3% генома человека). В соответствии с этим необъясненный до недавнего времени феномен значительной избыточности генома эукариот в отношении некодирующих последовательностей нуклеотидов известен в генетике под названием "парадокса С". По моему мнению (см. раздел 5.3), эволюционное включение избыточных последовательностей нуклеотидов в исходный геномпредшественник стабилизировало заключенную в нем генетическую информацию, что, в свою очередь, создало необходимые условия для возникновения многоклеточности в природе.

Структурная организация генома является фундаментальным таксономическим признаком, лежащим в основе современной систематики животного и растительного мира. В соответствии со структурной

организацией генома все живые организмы разделяют на два надцарства:

прокариот и эукариот. К прокариотам относят организмы, геном которых не заключен в ядро, ограниченное ядерной мембраной, и его редупликация не сопровождается митозом. Надцарство прокариот включает в себя три царства:

архебактерий (Archaebacteria), шизомикофитов (Shizomycophyta) и

цианофитов (Cyanophyta). Таким образом, к прокариотам относятся синезеленые водоросли, актиномицеты, все бактерии, микоплазмы, риккетсии и вирусы.

Клетки эукариот содержат оформленное ядро, и редупликация их генома сопровождается митозом. В надцарство эукариот входят царства:

мезокариоты (жгутиконосцы) (Mesokaryotes), грибы (Fungi), растения

(Planta) и животные (Animalia). Характерная структура генома прокариот и эукариот накладывает отпечаток на морфологические, физиологические, биохимические и генетические особенности этих организмов, которые в конечном счете определяются генетической информацией, заключенной в их геномах и реализующейся через экспрессию соответствующих генов. Таким образом, можно без преувеличения сказать, что структура генома лежит в основе всех тех внутренних и внешних проявлений жизнедеятельности любого организма, которые определяют его положение в иерархии живых существ,

28

населяющих нашу планету.

1.1. Гены и хромосомы

Генетическая информация о структуре отдельных белков и нуклеиновых кислот у всех организмов заключена в молекулах ДНК или РНК в виде последовательностей нуклеотидов, называемых генами. Однако одной информации о структуре макромолекул, кодируемых генами, недостаточно для их функционирования. Координированная работа (экспрессия) большого числа генов возможна лишь благодаря наличию тонких регуляторных механизмов, определяющих место, время и уровень экспрессии конкретного гена или группы генов. Для того чтобы экспрессия гена была регулируемой, он должен содержать индивидуальную (регуляторную) метку, по которой регуляторные компоненты генетической системы клетки или организма могли бы безошибочно оказать на него необходимое воздействие. В соответствии с этим

любой ген состоит из двух основных функциональных частей (последовательностей нуклеотидов) – регуляторной и структурной.

Регуляторная часть обеспечивает первые этапы реализации генетической информации, заключенной в структурной части гена, которая, в свою очередь, содержит информацию о структуре конкретных белков или нуклеиновых кислот. Поэтому размер гена складывается из размеров его структурной и регуляторной частей. Однако определить протяженность гена не так просто, особенно в случае генов эукариот.

Отдельные элементы регуляторной области генов, например энхансеры, могут располагаться на значительном (>60 т.п.о.) расстоянии от структурной части гена как перед ней, так и позади нее или даже в ней самой. В самой же структурной части большинства эукариотических генов кодирующие последовательности нуклеотидов (экзоны) перемежаются протяженными некодирующими последовательностями (интронами). Суммарный размер интронов, как правило, многократно превышает суммарный размер экзонов конкретных генов. Уже исходя из этого факта, можно сделать вывод о том, что геном любого эукариотического организма содержит не только последовательность нуклеотидов с генетической информацией о белках и нуклеиновых кислотах, но и большое количество последовательностей нуклеотидов, не несущих такой информации.

29

Однако помимо интронов в геноме эукариот имеется большое количество других некодирующих последовательностей нуклеотидов, главным образом различных повторяющихся последовательностей. Поэтому общая длина некодирующих последовательностей нуклеотидов в геноме эукариот в десятки раз превышает длину кодирующих последовательностей. Не вполне определенные и очень большие размеры генов эукариот, к тому же расположенных в геноме среди многочисленных некодирующих последовательностей нуклеотидов, создают значительные трудности для изучения их структуры и функционирования in vivo.

Как у прокариотических, так и у эукариотических организмов все гены располагаются группами на отдельных молекулах ДНК, которые при участии белков и других макромолекул клеток организуются в хромосомы. Зрелые клетки зародышевой линии (гаметы – яйцеклетки, спермии) многоклеточных организмов содержат по одному (гаплоидному) набору хромосом организма. У диплоидных (полиплоидных) организмов, клетки которых содержат по одному (несколько) набору хромосом каждого из родителей, одинаковые хромосомы получили название гомологичных хромосом, или гомологов.

Гомологичными являются и одинаковые хромосомы разных организмов одного биологического вида. Гены и некодирующие последовательности нуклеотидов, заключенные в хромосомах ядер клеток, представляют большую часть генома организма. Кроме того, геном организма формируют и внехромосомные генетические элементы, которые во время митотического цикла воспроизводятся независимо от хромосом ядер. Так, митохондрии грибов и млекопитающих содержат менее 1% всей ДНК, тогда как у почкующихся дрожжей Sacharomyces cerevisiae митохондриальная ДНК составляет до 20% всей ДНК клетки. ДНК пластид растений (главным образом хлоропластов и митохондрий) составляет от 1 до 10% суммарного количества их ДНК.

Поскольку гены, входящие в состав отдельных хромосом, находятся в одной молекуле ДНК, они образуют отдельную группу сцепления и в отсутствие рекомбинации вместе передаются от родительских клеток к дочерним. Остаются до конца не понятыми физиологическое значение распределения генов по отдельным хромосомам и природа факторов, определяющих число хромосом в геноме эукариот. Например, невозможно объяснить эволюционные механизмы появления большого числа хромосом у

30

конкретных организмов только ограничениями, накладываемыми на максимальный размер молекул ДНК, входящих в состав этих хромосом. Так, геном американской амфибии Amphiuma содержит в ~30 раз больше ДНК, чем геном человека, и вся ДНК заключена только в 28 хромосомах, что вполне сопоставимо с кариотипом человека (46 хромосом). Однако даже самая маленькая из этих хромосом больше самых крупных хромосом человека. Остаются неизвестными и факторы, ограничивающие верхний предел числа хромосом у эукариот. Например, у бабочки Lysandra nivescens диплоидный набор составляет 380–382 хромосомы, и нет основания считать, что это значение является максимально возможным.

По-видимому, большинство особенностей структурной и функциональной организации генома должны обеспечивать надежность его функционирования, т.е. точность передачи генетической информации от родительских клеток дочерним на протяжении многих клеточных генераций и правильную работу генов. Поэтому можно предполагать, что они имеют, прежде всего, отношение к обеспечению надежности передачи и внутриклеточной реализации генетической информации, проявляющейся в упорядоченной во времени и безошибочной экспрессии генов.

1.2. Геном прокариот

Как уже было упомянуто выше, основной чертой молекулярной организации прокариот является отсутствие в их клетках (или вирионах – вирусных частицах, в случае вирусов) ядра, отгороженного ядерной мембраной от цитоплазмы, если она существует. Отсутствие ядра является лишь внешним проявлением особой организации генома у прокариот, которая коренным образом отличается от таковой у эукариотических организмов. В отличие от эукариот, геном прокариот построен очень компактно. Количество некодирующих последовательностей нуклеотидов минимально, интроны редки. Более того, у прокариот для кодирования белков часто используются две или все три рамки считывания одной и той же последовательности нуклеотидов гена, что повышает кодирующий потенциал их генома без увеличения его размера. Многие механизмы регуляции экспрессии генов, использующиеся у эукариот, никогда не встречаются у прокариот. Это не относится к вирусам животных и растений, которые, являясь внутриклеточными паразитами