Подготовка у универсиаде 2012 / Генетика (Жимулев) / 9ver7

Глава 9

Строение и функционирование хромосом

Рисунок 9.2

Таблица 9.1

Размеры кольцевой молекулы ДНК - хромосомы

у вирусов, прокариот и в клеточных органеллах

эукариот.

Длина

Кольцевая

молекула ДНК

микрометры

тысячи пар

нуклеотидов

Мелкие вирусы

0.4 - 1.0

1.2 - 3

Схема репликации кольцевой ДНК.

Другие вирусы,

большинстве случаев, а у бактерий - всегда,

пластиды,

5 - 600

15-2000

митохондрии

репликацияхромосомыидетодновременнов

Бактерии

150 - 2000

500-6000

обестороныотточкиинициациирепликации

(ò.è.ð.) (Ðèñ. 9.2).

около 4100-4220 генов, у E. coli – 4639,221

Репликация хромосом

вирусов и

т.п.н. и, соответственно, примерно 4290 генов

прокариот протекает быстро, со скоростью

(Ðèñ. 9.3).

порядка 30 микронов в минуту. У прокариот

Наследственный аппарат бактерии –

хромосомаприкрепленакклеточноймембране.

нуклеоид - аналогичен ядру эукариот, это

Имеютсяфиксированныеточкиприкрепления

областьбактериальнойклетки-образование,

нуклеоида к мембране - это точка начала

состоящее из ДНК, белков и РНК.

репликации (OriC) и точка завершения

Нуклеоид выглядит как бобовидное тело с

репликации (TerC). У бактерий геном

хорошо

очерченными

контурами,

организован в некое тело или тела, которые

занимающее

центральную

часть

выглядят довольно компактными и занимают

бактериальной клетки и длиной (у кишечной

околотретиобьемаклетки.Этителаназывают

группы бактерий) около одного микрона.

нуклеоидами. Нуклеоид, видимо, имеет

Ядерной оболочки вокруг нуклеоида не

«скользящие участки» прикрепления к

найдено. ДНК в бактериальном нуклеоиде

мембране,вчастноститотучасток,вкотором

находится в ассоциации как минимум с 5

вданныймоментидетрепликация,ибольшое

ДНК-связывающимися белками: HU, INF,

число «неспецифических» точек контакта и

H1, HLP,

H. Эти белки

похожи по

после репликации расхождение дочерних

Рисунок 9.3

хромосомосуществляетсяраздвиганиемэтих

точек

вследствие

роста

мембраны.

Существуетточказрения,чтоубактерийесть

структуры, напоминающие митотическое

веретено у эукариот, с помощью которого

нуклеоидырасходятсявдочерниеклетки.

Длина молекул

ÄÍÊ,

служащих

хромосомами у вирусов, прокариот и

клеточныхорганелл,варьирует (Табл.9.1).

Строение и функционирование хромосом

Глава 9

аминокислотному

составу и

другим

Рисунок 9.4

свойствам на гистоны эукариот. Они имеют

небольшие размеры – 9-28 kDa и по большей

части это белки основные. Видимо, они

очень консервативны: у кишечной группы

бактерийицианобактерий,дивергировавших

2-3 млрд. лет назад, HU-белки обладают

перекрестной антигенной специфичностью.

На клетку E.coli, приходится около 30 тыс.

димерных молекул белка HU и 120 тыс.

мономерных молекул белка H.

Петлевая организация ДНК у бактерий.

1. Белок HU конденсирует ДНК,

ферментных комплексов, формирующих

возможно заворачивая ее в бусоподобные

аппарат ОФ для производства и накопления

структуры, напоминающие нуклеосомы. Он

энергии. Комплексы I-IV образуют единую

стимулируетрепликациюДНК.Однако,30тыс.

цепь, которая служит для передачи

димеровбелкаHU,находящихсявклеткеE.coli,

электронов, тогда как комплекс V содержит

хватит на «упаковку» только 1/6 части ДНК

АТФ синтетазу. Большинство полипептидов,

нуклеоида (Прозоров,1998).

участвующих в процессе ОФ, а их более 70,

2. Белок H1 связывается с ДНК,

кодируется яДНК. После сборки на 80S

взаимодействуя прежде всего с теми

рибосомах они

транспортируются в

последовательностями, которые изогнуты.

митохондрии.

Небольшое

число

Функциибелканеизвестны.

полипептидов (около 10), без участия

3. Белок P был секвенирован и по

которых процесс ОФ невозможен,

последовательностиаминокислотнапоминает

кодируется мт-геномом. Почти все

протамины, которые связываются с ДНК в

компоненты транспортных РНК (22 типа

сперматозоидах

некоторых

видов.

тРНК), участвующих в синтезе белка in situ,

Предполагается, что P - это ДНК-

являются продуктом самих митохондрий.

связывающийсябелок,однакофункцииегоне

Кроме этого мтДНК кодирует два типа

известны.

ðÐÍÊ.

4. Белок INF, возможно, принимает

ДНК в митохондриях двуспиральная,

участиевформированиидоменнойструктуры

кольцевая, суперскрученная и очень часто

нуклеоида.

более тяжелая за счет большего содержания

ДНК в нуклеоиде составляет около 80%

GC-ïàð (Ðèñ. 9.5).

(для сравнения у эукариот - только 50%). Она

У животных размер мтДНК обычно

свернутавпетли,примернопо40т.п.н.вкаждой

менее 20 т.п.н., у человека – 16569 п.н., у

петле(Рис.9.4).

ксенопусаидрозофилы–18400п.н.Удрожжей

Основанияпетельзащищеныспомощью

размер мтДНК существенно больше – около

какого-то неизвестного механизма, что

80 т.п.н., а у растений еще больше – от 100 до

предотвращаетпередачувращенияДНКсодной

2000 т.п.н. Молекулярно-генетическая карта

петлинадругую.Вгеномепримерно100таких

ДНКмитохондрийдрожжей показана наРис.

петель-илидоменов.

9.6.

9.2.2. Геном митохондрий

Впределахмитохондрииестьнуклеоиды,

аналогичныебактериальнымклеткам,каждый

Митохондрии – органеллы клетки,

из которых содержит по несколько копий

ответственные за продукцию АТФ путем

мтДНК: напримервклеткахдрожжейкаждая

окислительного фосфорилирования (ОФ).

митохондрия имеет 10-30 нуклеоидов, и в

Внутренняямембранамитохондрийобразует

каждом находится 4-5 молекул ДНК.

кристы, на которых располагаются пять

Поскольку у дрожжей в одной клетке

Рисунок 9.5

Митохондриальная ДНК человека

à

Хромосома

представляет

собой

замкнутую

Эукариотическая клетка

ßäðî

двуцепочечную спираль, содержащую

16569 пн (Рис. 9.7). Обе цепи имеют

асимметрическое распределение Г/Ц

Митохондрии

нуклеотидов,причемгуанин-богатаятяжелая

цепь (H) - это главная кодирующая цепь,

содержащая рРНК, большинство мРНК и

Электронная микроскопия

тРНК, в то время, как цитозин-богатая легкая

выявляет кольцевые

цепь (L) содержит лишь один структурный

молекулы ДНК

ген (ND6) и 8 из 22 генов тРНК. В общей

á

сложности, 37 мт-генов (13 генов ОФ,

Ядерная

2рРНК и 22тРНК) участвуют в синтезе семи

ÄÍÊ

Клоличество

Митохондриальная

белковых субъединиц комплекса I, одной

ÄÍÊ

ÄÍÊ

субъединицы комплекса III, трехсубъединиц

комплекса IV и двух – комплекса V.

Высокая

Низкая

Интересно,

÷òî

мт-геном

плотность

плотность

Локализация в клетке (а) и характеристика

млекопитающих по своей структуре

обнаруживает большее сходство с геномом

(б) ядерной и цитоплазматической ДНК (Из:

Russell, 1998, p. 681).

прокариот, нежели с геномом эукариот:

митохондриальныегенылишеныинтронови

содержится от 1 до 45 митохондрий, в ней

можетбыть40-6750молекул,илимежду 3200

транскрибируются с двух промоторов в виде

и 540000 т.п.н. митохондриальной ДНК, что

полицистронных информационных РНК.

существенно больше геномного количества

Ãåíû òÐÍÊ

располагаются

между

(17500 ò.ï.í.).

структурными генами, отделяя их друг от

друга.Первичныетранскрипты

Рисунок 9.6

вырезаются нуклеазами по

Большая

Cys His

Lys

LeuArg

AspSer

границам тРНК. К минимуму

рибосомная РНК

Thr Gln

Gly

Arg

сведен и набор тРНК, который

Рибосомный

AlaIle

Tyr

белок

необходим

äëÿ

ядерного

eryR

Asn

Ser

MetЦитохром c

генома

-

22

ãåíà

â

capR

mit

оксидаза II

субъединица 9

Phe

АТФазы

spiR

Val

митохондриях, 32 - в ядре.

oliR

Thr

Цитохром c

Репликация,транскрипцияи

оксидаза III

mit

Цитохром b

трансляция. Первые два

процесса

начинаются

â

mit -

контрольном районе (КР),

fMet

который состоит из 1122 пн

Pro

Glu

Trp

(16024-576) (Ðèñ. 9.7). Â ýòîì

районе

наблюдается

oli

R

parR

концентрация большинства

субъединица 6

Малая рибосомная

ð

å ã ó ë

ÿ

ò î

ð

í û

õ

mit -

ÐÍÊ

последовательностей. В то же

АТФазы

Trp

время

ÊÐ

–

основной

Цитохром c

некодирующий

участок

оксидаза I

Карта митохондриальной ДНК дрожжей. В мтДНК

молекулы (лишь 87 пн

расположены гены, необходимые для трансляции в

располагаются в других

митохондриях (главным образом рРНК и тРНК), а также гены,

межцистронных

районах

кодирующие субъединицы белков, связанных с продукцией АТФ.

мтДНК). КР включает также

Строение и функционирование хромосом

Глава 9

Рисунок 9.7

D-петля

Функционально-генетическая карта мтДНК

O

PH1 P

человека. Митохондриальный геном человека

7S DNA H PL

H2 12S rRNA

состоит из 16569нп. и имеет следующие

TAS

F

V

T

особенности:

16S rRNA

Cyt b

D-петля – это район мтДНК, состоящий

I

P III II

L

из 1122 нуклеотидных пар (нп.16024-576) и

CSB

ND1

E

отвечающий за

процессы

репликации,

ND6

I

транскрипции.

Îí

содержит

ND5

Направление

Q

M

последовательность, ассоциированную с

репликации

H-öåïè

ND2 терминацией (TAS, нп.16157-16172); точку

OL N

A

инициации репликации тяжелой цепи (OH,

L

W

C

íï.110-441);

последовательность

S

Направление

Y

H

репликации

консервативных блоков CSBI (нп.213-235),

L-öåïè

CSBII (нп.299-215) и CSBIII (нп.346-363); сайты

ND4

S

CO I

связывания транскрипционного фактора (mtTF)

ND4L

R

K

D

(íï.233-260, íï.276-303, íï.418-445 è íï.523-

ND3 G

CO III

ATP6

CO II

550); митохондриальный праймер репликации

ATP8

(нп.317-321); промотор легкой цепи (PL, нп.392-

Глава 9

Строение и функционирование хромосом

Рисунок 9.9

9.9).Гены,расположенные

rpl21

5S

в пределах этих повторов,

4.5S

присутствуют в геноме в

23S

rps12

frxC

16S

двух копиях. Между IR –

rps7

5S

повторами расположены

ndh2

4.5S

16S

23S

участки SSC (short single

rpl23

rpl2

copy sequence) è LSC (long

SSC

rps19

single

copy sequence).

IRA

rpl22

rpoB

IRB rps3

Геном

хлоропластов

rpl16

rpoC1

rpl14

rpoA

petD

содержит гены для всех

rps8

petB

infA

ðÐÍÊ (16S, 23S, 4,5S è 5S,

psbH

secX

psbB

в двух копиях каждый), до

rps11 rps12

rpoC2

rpl20

32 генов тРНК и генов для

psbE

rps18

некоторых, хотя и не всех

rps33

rsp2

LSC

psbF

белков, необходимых для

atp1

atpB

ndh3

генетического аппарата

atpH

psbG atpE

petA

atpF

rps4

хлоропластов (например,

atpA

psaB

psaA

rbcL

рибосомных

белков,

psbA

rps14

субъединиц

ÐÍÊ-

mbpX psbD

полимеразы, факторов

psbC

трансляции и т.д.), или для

Генетическая карта хлоропластной ДНК печеночного мха Marchantia

фотосинтеза. В некоторых

polymorpha (Umesono, Oreki, 1987). IRA, IRB, LSC SSC во внутреннем

генах,кодирующихбелкии

круге обозначают инвертированные повторы и однокопийные

тРНК, найдены интроны.

участки. Синим цветом обозначены гены белков и РНК, участвующих

Все мРНК, кодируемые в

в трансляции (rps - белки 30S субъединицы рибосомы; rpl - белки

50S субъединицы рибосомы; 4.5S, 5S, 16S, 23S - рРНК; infA -

хп-геноме,транслируются

инициирующий фактор; secX - белок 50S субъединицы рибосомы),

нахп-рибосомах.

зеленым - в фотосинтезе и переносе электронов (rbc - рибулозо

Литература к

бифосфат карбоксилаза; psa - фотосистема 1; psb - фотосистема 2; pet

- комплекс цитохром b/f; atp - ATP-синтетаза; frx - железо-серные

разделу 9.2.

белки; ndh - NAD(P)H оксидредуктаза), красным - субъединицы РНК-

Алиханян С.И., Акифьев

полимеразы, желтым - пермеаза.

А.П., Чернин Л.С. Общая

генетической организации одного из видов

генетика. Москва, Высшая школа, 331-335,

хпДНК.

1985.

Число копий молекул на одну клетку

Игамбердиев А.У. Уникальная генетическая

варьирует. Например, в листьях свеклы

система митохондрий. Соросовский

образовательный журнал 6: 32-36, 2000.

находят 4-8 молекул ДНК на нуклеоид, при

Прозоров А.А. Геном бактерий: нуклеоид,

этом 4-18 нуклеоидов находят в одном

хлоропласте и примерно 40 хлоропластов на

хромосома,

нуклеотидная

карта.

Микробиология 67: 437-451, 1998.

клетку. В итоге в каждой клетке может быть

Blattner F.R. et al. The complete genome sequence of

до 6000 молекул хпДНК. У водоросли

Escherichia coli K-12. Science 277: 1453-

хламидомонады один хлоропласт содержит

1462, 1997.

500 – 1500 молекул хпДНК (Russell, 1998, p.

LewinB.GenesV,Oxford,NewYork,Tokyo,Oxford

689).

University Press, 735-745, 772-776, 1994.

Геномхлоропластовувысшихрастений

Russell P.J. Genetics Fifth edition. Menlo Park,

варьирует по длине, но имеет характерные

California, The Benjamin Cummings Publishing

особенности. В геноме есть так называемые

Company Inc. 679-713, 1998.

Umezono K., Ozeki H. Chloroplast gene organization

инвертированныеповторы(IRAиIRBнаРис.

in plants. Trends in Genetics 3: 281-287, 1987.

Глава 9

Строение и функционирование хромосом

Wallace D.C. Mitochondrial DNA mutations and

Литература к разделу 9.3.

bionergetic defects in aging and degenerative

Clayton R.A., White O., Ketchum K.A., Venter J.C.

diseases. In: The Molecular and Genetic Basis

The first genome from the third domain of life.

of Neurologie and Neurological Disease.

Nature 387: 459-462, 1997.

Boston, 237-269, 1997.

Goffeau A. et.al., Life with 6000 genes. Science 274:

Wallace D., Lott M.T., Torroni et al., Report of the

546, 563-567, 1996.

committee of human mitochondrial DNA.

Hochman B. Analysis of a whole chromosome in

Cytogen. Cell Genet. 59, 727, 1992.

Drosophila. Cold Spring Harbor Sumposium

9.3. Геном и хромосомы дрожжей

Quant. Biol. 38: 581-589, 1974.

Хромосомы этих низших эукариот не

9.4. Митотические

видны под микроскопом, однако по

хромосомы высших эукариот

генетическим данным выделяют 16 групп

сцепления. Геном дрожжей Saccharomyces

9.4.1. Идентификация

cerevisiae к настоящему времени полностью

хромосом

секвенирован. Общая длина ДНК в геноме

Еще в 1882 году Страсбургером было

составляет 13390 т.п.н., длины хромосом

обнаружено у одного из исследованных им

варьируют от 229 до 1530 т.п.н. (Рис. 9.10).

растений, а именно Funkia sieboldiana, что

Понятно почему хромосомы дрожжей

хромосомыоднойитойжеядернойпластинки

невидимы

под микроскопом. Самая

весьма резко отличаются по своей величине.

маленькая

хромосома

в кариотипе

Аналогичныеотношениябыликонстатированы

дрозофилы – четвертая, которая выглядит

впоследствии для целого ряда растений и

как точка, по оценкам составляет 1-4% ДНК

животных. Несколько позже, Мюллер (Cl.

генома (Hochman, 1974). Если весь геном

Muller, 1912) посвятил целое исследование

плодовой мушки содержит 185 м.п.н. ДНК,

варьированию размеров хромосом.

то следует заключить, что в четвертой

Указанные различия являлись не простым

хромосоме содержится от 1850 до 7400

варьированием, а характеризовали собой

т.п.н. Это значительно больше, чем в самой

определенные типы более крупных и мелких

длинной хромосоме дрожжей.

хромосом,точноповторявшиесявразличных

Вгеномедрожжей выявлено6085генов.

ядерных пластинках одного и

Рисунок 9.10

тогожевида.Каждыйтипбыл

100

300

500

700

900

1100

1300

1500

представлен в соматических

229237

клетках парой одинаковых

813138

элементов,

очевидно

1531974315339

отцовского и материнского

576870

происхождения. Такого рода

270148

данныепредставляли-рядомс

1090936

постоянствомчислахромосом