Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
5
Добавлен:
06.06.2015
Размер:
1.96 Mб
Скачать

Структура и организация генома

 

 

 

 

 

Глава 6

 

 

 

Глава 6.Cтруктура и

 

оболочках,а70%метки32Р-винфицированных

организация генома

 

бактериях. Фаги-потомки получили только

 

около1%исходногобелка,меченого35S,однако

 

 

 

 

6.1. Ðîëü ÄÍÊ â

 

онижеобнаружилиоколо30%метки32Ð.

 

Результаты этого эксперимента прямо

наследственности

 

 

показали, что ДНК родительских фагов

 

 

 

 

 

По-видимому,самуюпервуюгипотезуо

проникает в бактерии и затем становится

физико-химическойприродегеновихромосом

составляющей развившихся новых фаговых

предложил Н.К. Кольцов в 1927, а в более

частиц.

 

 

 

 

 

 

развернутой форме – в 1935

 

 

 

 

 

 

 

 

Дополнение 6.1

 

 

 

 

 

 

 

году(Дополнение6.1) (Детали

Н.К. Кольцов предположил, что хромосомы представляют

см. также в статьях В.А.

собой огромные молекулы белков или пучки таких молекул. О

Ратнера 1998а, б).

существовании в клетках других длинных молекул, состоящих из

 

Как уже упоминалось в

гетерогенных мономеров, тогда еще не знали. ДНК, или как ее тогда

Разделе 5.11, в результате

называли – тимонуклеиновая кислота – считалась, как пишет Э.

изучения

явления

Шредингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения

физика?» «сравнительно простым органическим соединением,

трансформацииубактерийбыло

которому было бы странно приписывать роль носителя

впервыепоказано,чтоименно

наследственных свойств». Вот что пишет сам Н.К. Кольцов о

ÄÍÊ

может

служить

формировании хромосом (генонем) и генов:

 

 

 

 

 

генетическим материалом. В

«Первоначально, когда у простейших организмов впервые

1952 году были получены

слагались генонемные молекулы, они были представлены

новые доказательства этого в

однообразными более или менее длинными цепями из одинаковых

звеньев, вроде кератина или серицина. Каждое звено состояло из

экспериментах другого типа.

немногих простых радикалов. При дальнейшей эволюции организма

Как известно, фаг Т2 является

эти молекулы постепенно усложнялись путем присоединения к

вирусом, инфицирующим

некоторым звеньям боковых радикалов, получающих значение генов.

бактерию E. coli. Фаговые

Мало-помалу число этих боковых цепей, размещенных в

частицы абсорбируются на

определенных пунктах генонемы, увеличивалось и самые радикалы

наружнойповерхностиклетки,

 

âñå

более

 

усложнялись.

 

Микроскопическая

картина

 

 

 

 

ихматериалпроникаетвнутрьи

 

хромосом в слюнных железах

примерно через 20 минут

 

дрозофилы представляет картину

бактерия

лизируется,

 

óæå

 

очень

 

высокой

освобождая

большое

 

дифференцировки генонем. Если

 

признать, что поперечные диски

количество фаговых частиц -

 

 

соответствуют генам, то здесь мы

потомков. В

1952 ãîäó

 

 

должны поместить именно боковые

АльфредХершииМартаЧейз

 

радикалы или цепи радикалов,

инфицировалибактерийфагами

 

которые

адсорбируют

ÿðêî

Т2, которые были мечены

 

окрашенный хроматин. В таком

 

случае неокрашиваемые сегменты,

радиоактивнымисоединениями:

 

 

в которых

ìû

различаем

ДНК-спомощью32Р,белковая

 

 

продольные нити, придется признать

 

 

 

 

частьфага-35S(Рис.6.1).После

 

основными

 

цепями,

íå

инфекции бактерий фагами, с

 

осложненными

 

сложными

помощьюцентрифугирования

 

боковыми придатками. Но при

удалосьвыделитьдвефракции:

 

дальнейшей дифференцировке и

 

ñþäà

могут

присоединяться

пустые белковые оболочки

 

 

боковые радикалы – новые гены, а

ôàãà

è

бактерий,

 

 

с другой стороны, уже имеющиеся

инфицированныхфаговойДНК.

 

боковые

радикалы

могут

Оказалось, что 80% метки 35S

 

осложняться

è

упрощаться в

осталась в пустых фаговых

 

мутационном процессе ”(Кольцов,

 

1935, ñòð. 119.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

107

Глава 6

 

 

 

Структура и организация генома

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.1

 

 

 

Дополнение 6.2

 

 

 

 

 

В 1969 году Альфред Д. Херши (A.D.

 

 

 

 

Hershey) получил Нобелевскую премию за

 

 

 

 

открытие генетической структуры вирусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дополнение 6.3

 

 

 

 

 

За исследования нуклеотидов и

 

Встряхивание

 

 

нуклеозидов Нобелевскую премию в 1957

 

 

 

 

году получил Александр Тодд (A. Todd).

 

 

 

 

РНК,РНК→ белок,РНК→ РНК.2.Процессы,

 

 

 

которыенебылиэкспериментальновыявлены

 

 

 

и с теоретической точки зрения не казались

 

Лизис

 

строго необходимыми: РНК →

ÄÍÊ, ÄÍÊ →

 

 

 

белок. 3. Невозможные переносы: белок →

 

 

 

белок, белок →

РНК, белок →

ДНК. Таким

 

 

 

образом,информациявовсехслучаяхвклетке

 

 

 

переноситсяоднонаправленнопоцепи:ДНК→

 

 

 

РНК → белок. Белок не может служить

 

 

 

матрицейдлясинтезаДНКилиРНК,поскольку

 

 

 

у молекул белка нет свойства

Генетическим материалом фага T2 является

 

комплементарности отдельных частей

ДНК. Белки фага мечены !#S (синий цвет),

 

молекулы, что бы позволяло использовать е¸

ÄÍÊ - ! P (красный цвет).

 

какматрицу.

 

 

СовременныепредставленияоролиДНК

 

 

 

 

впередаченаследственнойинформациилучше

 

6.2. Структура ДНК

 

всего отражает

“Центральная догма

 

Генетическая информация в молекуле

молекулярнойбиологии”,сформулированнаяФ.

ДНК записана в виде последовательности

Крикомв1956идоработаннаяв1970годах(Рис.

нуклеотидных остатков, которые содержат

6.2).

 

 

одноизчетырехазотистыхоснований:аденин

Автор предложил разделить все виды

(А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т) (Рис.

переносабиологическойинформациивклетке

6.3).

 

 

на три группы: 1. Процессы, существование

 

 

Азотистые основания делятся на два

которых уже показано: ДНК → ДНК, ДНК →

типа: пиримидиновые и

пуриновые.

 

 

 

Пиримидинысостоятизшестичленногокольца,

Рисунок 6.2

 

 

 

 

аупуриновподвакольца:одно–пятичленное

 

 

 

 

 

 

ивторое–шестичленное.Каждаянуклеиновая

 

ÄÍÊ

 

кислота синтезируется из оснований только

 

 

 

 

 

 

 

 

 

четырехтипов.Одниитежепурины(аденини

 

 

 

гуанин) входят в состав и ДНК И РНК. Два

 

 

 

пиримидина, входящие в состав ДНК, - это

 

 

 

цитозин и тимин, а в РНК вместо тимина

ÐÍÊ

Белок

 

находитсяурацил.Тиминотличаетсяотурацила

 

только наличием метильной группы в пятом

 

 

 

 

 

 

положении

пиримидинового кольца.

“Центральнаядогма молекулярнойбиологии”.

 

Соединения,состоящиеизостатковазотистого

 

основания

и углевода

рибозы или

Сплошные стрелки показывают обычный

 

 

дезоксирибозы называются нуклеозидами.

путь переноса генетической информации,

 

 

Нижеприведенаноменклатураназванийвсех

пунктирной - более редкие пути, также

 

 

этихсоединений:

 

существующие в природе (Из: Crick, 1970).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

108

Структура и организация генома

 

 

 

 

 

Глава 6

Рисунок 6.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.4

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

5’

3’

 

 

 

N

 

NH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.34 íì

5’

 

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH2

 

N

N

NH2

 

 

 

 

 

 

Малая

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NH2

 

 

 

 

 

бороздка

 

 

 

P

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

H

 

 

 

N

 

 

 

 

 

A

 

 

 

H

 

H

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H O

CH2

N

O

O

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

H

O

H3C

 

 

 

 

 

T

 

 

 

O

 

 

H

 

T NH

 

 

 

 

C

 

 

 

 

H

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H O

CH2

N

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

NH2

Большая

 

3.4 íì

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

бороздка

 

 

 

 

 

H

H

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

H

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H O

CH2

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3’

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

Фрагмент одной цепи ДНК. Пуриновые

 

 

 

 

основания аденин (А) и гуанин (G) и

 

 

 

 

пиримидиновые основания тимин (Т) и

 

5’

3’

 

цитозин (С) прикреплены к полимерному

 

2.0 íì

 

 

остову, состоящему из чередующихся остатков

Модель структуры ДНК по Уотсону и Крику

фосфата (Р) и сахара дезоксирибозы.

 

 

(Из: Фаворова, 1996, стр. 13).

 

Основания

Нуклеозиды Нуклеотиды

 

Дополнение 6.4

 

 

 

За открытие структуры нуклеиновых

---------------------------------------------------

кислот Френсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис

Аденин (A)

Аденозин

Адениловая

 

 

Уилкинс (F.H.C. Crick, J.D. Watson, M.H.F.

 

 

 

 

 

 

кислота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wilkins) в 1962 году были награждены

 

 

 

 

 

 

(AMP èëè dAMP)

 

 

 

 

 

 

Нобелевской премией.

 

 

Гуанин (G)

Гуанозин

Гуаниловая

 

 

 

 

 

 

Каждая

öåïü

содержит

 

 

 

 

 

 

кислота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

последовательность нуклеотидов, строго

 

 

 

 

 

 

(GMP èëè dGMP)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цитозин (C)

Цитидин

Цитидиловая

 

соответствующуюпоследовательностидругой

 

 

 

 

 

 

кислота

 

 

цепи.Этосоответствиедостигаетсяналичием

 

 

 

 

 

 

(CMP èëè dCMP)

водородных связей между направленными

Тимин(T)

 

Тимидин

Тимидиловая

навстречу друг другу основаниями двух

 

 

 

 

 

 

кислота (dTMP)

цепей: G и С или А и Т. Таким образом, цепи

Урацил (U)

Уридин

 

Уридиловая

 

комплементарны. Поскольку цепи имеют

 

 

 

 

 

 

кислота (UMP)

противоположную направленность в

Модель ДНК в форме регулярной

расположении 5' и 3' свободных концов в

двойной спирали (Рис. 6.4) была предложена

молекуле

пентозы,

èõ

называют

Дж. Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году

антипараллельными.

 

 

(Ðèñ. 6.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Двеспиральныеполинуклеотидныецепи

6.3. Репликация ДНК

 

закручены вправо вокруг общей оси.

 

 

 

 

Пуриновые остатки заштрихованы. Против

6.3.1. Механизмы репликации

каждого

èç

íèõ

находится

остаток

УотсониКрикужевовторойсвоейработе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пиримидинового основания другой цепи. На

1953годапредположиливозможныймеханизм

схеме показаны размеры спирали, наличие

копированиянаследственногоматериала.Легко

большой и малой бороздок и представить,чтоцепимолекулыДНКрасходятся

антипараллельностьдвухцепейДНК.

 

 

икаждаяизнихстановитсяматрицей,накоторой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

109

Глава 6

 

 

 

 

 

 

Структура и организация генома

Рисунок 6.5

 

 

 

 

 

 

однаизних“консервативная”,

 

 

 

 

 

 

 

другая-“дисперсионная”(Рис.

 

 

 

 

 

 

 

6.7).Доказалисуществование

 

 

 

 

 

 

 

полуконсервативной модели

 

 

 

 

 

 

 

М.МезелсониФ.Стальв1958

 

 

 

 

 

 

 

году. Авторы выращивали

 

 

 

 

 

 

 

бактерии E. coli несколько

 

 

 

 

 

 

 

поколений на минимальной

 

 

 

 

 

 

 

среде,

â

которой

 

 

 

 

 

 

 

единственным источником

 

 

 

 

 

 

 

азота был

15NH Cl (хлорид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

аммония).Вэтомсоединении

 

 

 

 

 

 

 

нормальный изотоп 14N, áûë

 

 

 

 

 

 

 

заменен на 15N. В результате

 

 

 

 

 

 

 

все клеточные компоненты

 

 

 

 

 

 

 

бактерий, включая пурины и

 

 

 

 

 

 

 

пиримидинывмолекулахДНК

 

 

 

 

 

 

 

содержалиболеетяжелыйазот

Д. Уотсон (род. 1928) и Ф. Крик (род. 1916) у стереомодели 15

 

 

 

молекулы ДНК.

 

 

 

 

N.Затемклеткипереносили

 

 

 

 

насреду,содержащуюизотоп

 

 

 

 

 

 

 

синтезируетсяноваякомплементарнаяцепь(Рис.

14N. Через 1 или 2 поколения

выделялиДНКицентрифугироваливградиенте

6.6). В результате образуются две дочерние

двуспиральныемолекулыДНК,неотличимыеот СsСl.Фракции,содержащиелегкиеилитяжелые

родительскоймолекулы.

 

 

цепи, а так же гибридные 15N/14N, легко

 

 

отделялись одна от другой (Рис. 6.8). ДНК,

КаждаямолекулаДНКсостоитизодной

цепиисходнойродительскоймолекулыиодной выделеннаяизбактерийпервогопоколения,дает

вновьсинтезированнойцепи.Такоймеханизм прицентрифугированииоднуполосу,состоящую

копированияназываетсяполуконсервативным.В

из гибридных 15N/14N цепей, а во втором

то же время обсуждались две другие модели,

поколении–двеполосы:из14N/1415N/14N,÷òî

Рисунок 6.6

 

 

 

 

 

 

свидетельствует о полуконсервативной схеме

 

 

 

 

 

 

репликации(см.Рис.6.7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

A

 

 

В1957годуАртурКорнбергобнаружилу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

G

 

 

бактерии E. coli фермент, катализирующий

Родительская

 

 

 

 

 

Родительская

процессполимеризацииДНКизнуклеотидов-

öåïü

 

 

 

A

T

öåïü

ДНК-полимеразу.

Открытие Корнберга

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

C

 

показало, что в основе удвоения молекул

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

C

 

ДНК лежат обычные биохимические

 

A

 

Одиночные

T

реакции. По современным представлениям,

 

 

родительские

в репликации ДНК у прокариот выделяют

 

 

 

T

A

 

 

öåïè

 

 

 

 

T

 

следующие этапы:

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

G

 

 

 

C

 

1. Релаксация суперспирализованной ДНК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

Этот процесс катализируется ферментом

 

T

 

 

A

T

топоизомеразой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

C

 

 

G

C

2. Денатурация двойной спирали ДНК.

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку синтез ДНК происходит на

 

 

Дочерние цепи

 

одноцепочечной матрице, ему должно

Схема полуконсервативной репликации ДНК

предшествовать обязательное разделение

 

 

 

 

(Èç:Lewin,1994,ñòð.95).

 

 

двухцепейДНК.Участокначаларасхождения

 

 

 

 

 

 

110

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура и организация генома

Глава 6

Рисунок 6.7

 

 

à

á

â

Родительские

молекулы

Первое

поколение

Второе

поколение

Модели репликации ДНК. а - полуконсервативная, б - консервативная, в - дисперсионная. Родительские цепи изображены в виде красных лент, вновь синтезированные показаны синим цветом.

цепейназываетсярепликационнойвилкойиз-

 

 

Дополнение 6.5

 

 

 

 

В 1959 году Артуру Корнбергу (Arthur

за характерной Y-образной формы (Рис. 6.9).

 

 

 

 

Kornberg) была присуждена Нобелевская

Именно в этой репликационной вилке

 

 

 

 

премия за открытие механизма биосинтеза

ДНК-полимеразы синтезируют дочерние

 

 

 

 

ÄÍÊ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ÄÍÊ â

 

 

 

 

 

 

 

Культуры

градиенте

 

 

 

 

 

Ôîòî

E. coli

CsCl

 

 

 

 

Состав ДНК

 

фракций

Поколение 0

 

 

 

 

 

Тяжелая ДНК

Среда

 

 

 

 

 

содержит

 

 

 

 

 

(15N/15N)

 

 

15N

 

 

 

 

 

 

 

 

Поколение 1

 

 

 

 

 

Тяжелая/легкая

Ðîñò

 

 

 

 

 

культур на

 

 

 

 

 

ÄÍÊ (15N/14N)

среде с 14N

 

 

 

 

 

 

 

 

Поколение 2

Легкая

Тяжелая/легкая

Ðîñò

ÄÍÊ

 

 

15

14

N)

культур на

 

14

 

14

 

ÄÍÊ ( N/

 

(

N/

N)

 

 

среде с 14N

 

 

 

 

Поколение 3

Рост культур на среде с 14N

14N/14N 14N/14N 14N/14N 15N/14N

Схема опытов Мезелсона и Сталя, доказывающих полуконсервативную модель репликации ДНК (Из: Russell, 1998, p. 346).

111

Глава 6 Структура и организация генома

Рисунок 6.9

 

 

 

 

 

 

 

направлении, с заменой одной из пар

 

 

 

Точка начала

 

 

 

нуклеотидов. Всего у B. subtilis на OriC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Родительская ДНК

репликации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расположено 15 ДНК-боксов. Область OriC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

очень консервативна: ДНК-боксы сходного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

состава имеются в соответствующем месте

 

 

 

Точка начала

 

 

 

хромосомы и других бактерий (хотя у

 

 

 

репликации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Репликационный глазок

 

 

 

 

 

 

Mycoplasma genitalium, несмотря на наличие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

общих для всех бактерий ферментов

с одной вилкой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

репликации, ДНК-боксов найдено не было).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С данными

последовательностями

 

 

 

 

 

 

 

 

 

происходит связывание белка DNAA,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

продукта гена dnaA; это событие служит

 

 

 

 

 

Репликационная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Репликационный глазок

Точка начала

вилка

 

 

сигналом для «вступления в игру» ДНК-

с двумя вилками

репликации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

геликазы. Сами ДНК-боксы не кодируют

 

 

 

 

 

 

 

 

 

белок или РНК, хотя между ними

 

 

 

 

 

 

 

 

 

располагаются отдельные гены. Продукты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

этих генов также большей частью вовлечены

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в «обслуживание» репликации ДНК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Инициация репликации не происходит, если

Репликационная

 

 

Репликационная

 

вилка

 

Точка начала

вилка

 

 

подавлен

синтез белка.

Порядок

 

 

 

репликации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расположения

ДНК-боксов,

Образование “репликационного глазка” с одной

 

 

промежуточных областей и их количество

или двумя репликационными вилками. Тонкие

 

 

позволяет думать, что эволюционная

стрелки указывают направление, в котором

 

 

дивергенция OriC шла главным образом за

расплетается родительская ДНК (из: Фаворова,

 

 

 

 

 

 

 

1996, ñòð. 15).

 

 

 

 

 

 

 

счетдупликацийитрипликаций.ОбластьOriC

 

 

 

 

 

 

 

 

у E. сoli и B. subtilis, будучи лигированной с

молекулы ДНК. Участок ДНК, в котором

репликация уже завершилась, выглядит как

фрагментами

некоторых

плазмид,

пузырек или “глазок” в нереплицированной

превращается

в «мини хромосому»,

ДНК. Репликационные “глазки” образуются

способную к автономной репликации (Из:

в тех местах, где находятся точки начала

Прозоров, 1998).

 

 

репликации (origin of replication). Они

Для того, чтобы цепи ДНК

разьединились, функционирует особый

состоят примерно из 250-300 нуклеотидов.

фермент - ДНК-геликаза, который

Лучше изучены ориджины у E. coli и

Bacillus subtilis. Область начала репликации

связывается с белками, инициирующими

хромосомы, OriC, включает в себя участки

процессрепликации.Этотферментдвижется

с так называемыми ДНК-боксами, и

 

по одиночной цепи ДНК и, встречая участок

расположенными между ними короткими

двойной спирали, разрывает водородные

последовательностями. ДНК-боксы со

связи между основаниями, разделяет цепи и

специфическим “рисунком” нуклеотидов,

продвигаетрепликационнуювилку.

 

преимущественно в 9 нп, перемежаются

Субстратом для ДНК-полимеразы

являютсядезоксирибонуклеозид-трифосфаты

фрагментами в 12-13 п.н. с высоким

 

содержанием АТ. Сами девятичленники

(äÍÒÔ),

полимеризующиеся

íà

могут располагаться как в прямом, так и в

одноцепочечной матрице. ДНК-полимеразы

инвертированном порядке по отношению

последовательнонаращиваютоднунитьДНК,

друг к другу. Например, у B. subtilis в участке

шаг за шагом присоединяя к ней следующие

RимеетсяодиндевятичленникТТАТССАСА

звенья в направлении от 5' к 3' концу, причем

и два других девятичленных бокса,

выборочередногодНТФдиктуетсяматрицей.

ориентированных в противоположном

 

Вклеткахприсутствуютнесколькоразныхтипов

112

Структура и организация генома

Глава 6

 

 

ДНКполимераз, выполняющих различные функциииимеющихразноестроение:онимогут бытьпостроеныизразличногочислабелковых цепей (субъединиц), от одной до десятков. Однако, все они работают на любых последовательностях нуклеотидов матрицы; задачаэтихферментов-сделатьточнуюкопию каждойматрицы.

Генетическийматериалживыхорганизмов имеет огромные размеры и реплицируется с высокой точностью. В среднем, в процессе воспроизведения генома млекопитающего, состоящего из ДНК длиной 3 млрд. пар нуклеотидов,возникаетнеболеетрехошибок. При этом ДНК синтезируется чрезвычайно быстро(скоростьееполимеризацииколеблется в пределах от 500 нуклеотидов в секунду у бактерий до 50 нуклеотидов в секунду у млекопитающих).

Высокаяточностьрепликации,нарядусее высокойскоростью,обеспечиваетсяналичием специальных механизмов, осуществляющих коррекцию,т.е.устраняющихошибки.

Сутьмеханизмакоррекциизаключаетсяв том,чтоДНК-полимеразыдваждыпроверяют соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз перед включением его в состав растущей цепи, второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид. Очередная фосфодиэфирная связь синтезируется лишь в томслучае,еслипоследнийнуклеотидрастущей цепи ДНК образовал правильную уотсонкриковскую пару с соответствующим нуклеотидомматрицы.

ДНК-полимеразы не могут начинать синтез ДНК на матрице, а способны только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звеньяк3'-концуужеимеющейсяполинуклео- тиднойцепи.Такуюзаранееобразованнуюцепь, ккоторойдобавляютсянуклеотиды,называют затравкой(илипраймером).Затравка состоит из РНК. КороткуюРНК-затравкусинтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов фермент, не обладающийкорректирующейактивностьюи называемый ДНК-праймазой. Праймазная активность может принадлежать либо отдельному ферменту, либо одной из субьединицДНК-полимеразы.

Установлено, что дочерние цепи ДНК растуттольковнаправлении5'→ 3',т.е.всегда

удлиняется 3'-конец затравки, а матрица считываетсяДНК-полимеразойвнаправлении 3' → 5'. Синтез ДНК происходит непрерывно тольконаоднойизматричныхцепей.Навторой цепи ДНК синтезируется сравнительно короткими фрагментами - от 100 до 1000 нуклеотидов, названными “фрагментами Оказаки” по имени открывшего их ученого - ТунекоОказаки(Рис.6.10).

СодиночнымицепямиДНКсвязываются специальные белки, дестабилизирующие спираль (SSB - single strand binding proteins). Они не позволяют им сомкнуться. Для того, чтобы репликационная вилка могла продвигаться вперед, вся еще не удвоенная часть ДНК должна была бы очень быстро вращаться.БелкиДНК-топоизомеразывносят одноцепочечныеилидвуцепочечныеразрывы, позволяющиецепямДНКразделиться,азатем заделываютэтиразрывы.

На Рис. 6.11 показано расположение цепей и молекул ферментов во время репликации.

Спираль расплетается с помощью ДНК-геликазы; этому процессу помогают ДНК-топоизомераза, раскручивающая цепи ДНК, и множество молекул

Рисунок 6.10

 

 

3’

 

 

5’

 

 

Ведущая

5’

 

öåïü

 

3’

 

 

 

5’

РНК-затравки

 

 

3’

 

 

 

 

Отстающая

 

 

öåïü

 

 

3’

 

 

5’

Строение репликационной вилки. Направление синтеза ДНК совпадает с направлением расплетания двойной спирали лишь для одной из новосинтезированных цепей - ведущей. Вторая цепь - отстающая - синтезируется прерывисто, в виде коротких фрагментов Оказаки. В результате обе дочерние цепи растут в направлении от 5' к 3' (из: Фаворова, 1996, стр. 15).

113

Глава 6

Структура и организация генома

 

 

Рисунок 6.11

Матрица для синтеза ведущей цепи

ДНК-полимераза на ведущей цепи

Новосинтезированная

Топоизомераза

öåïü

 

Синтез следующего фрагмента Оказаки начинается здесь

ДНК-полимераза, заканчивающая синтез фрагмента Оказаки на ДНК-геликаза

отстающей цепи

Дестабилизирующий Праймаза белок

РНК-затравка

Матрица для синтеза отстающей цепи

Направление движения репликационной вилки

Расположение основных белков в репликационной вилке (из: Фаворова, 1996, стр. 16).

дестабилизирующего белка (SSB),

цепями ДНК. В области вилки действуютдве

связывающихся с обеими одиночными

ДНК-полимеразы - на ведущей и отстающей

 

цепи. На ведущей цепи ДНК-полимераза

Дополнение 6.6

работает непрерывно, а на отстающей

Все живые организмы на Земле обычно

ферментвремяотвременипрерываетивновь

делят на прокариот и эукариот (от греч. карион

возобновляет свою работу, используя

- ядро). Главной особенностью прокариот

короткие РНК-затравки, синтезируемые

является отсутствие у них в отличие от эукариот

ДНК-праймазой. Молекула ДНК-праймазы

(эу - по-гречески - истинный) полноценного

непосредственно связана с ДНК-геликазой,

клеточного ядра, покрытого оболочкой.

образуя

структуру,

называемую

Генетический материал прокариот расположен

праймосомой. Праймосома движется в

в нуклеоиде - примитивном эквиваленте ядра

направлении раскрывания репликационной

эукариот. Клетки прокариот имеют очень

 

 

 

 

небольшие размеры - около 1мкм. Объем

вилки и по ходу движения синтезирует РНК-

эукариотических клеток в 800-1000 раз больше

затравку для фрагментов Оказаки. В этом же

объема клеток прокариот. К прокариотам

направлении движется ДНК-полимераза

относятся бактерии и археи (или архебактерии),

ведущейцепииДНК-полимеразаотстающей

предки которых возникли около 4 млрд. лет

цепи. Для этого, как полагают, последняя

назад. В последнее время все чаще говорят о

накладывает цепь ДНК, которая служит ей

трех царствах живых существ: бактериях,

матрицей, саму на себя, что и обеспечивает

археях и эукариотах. Эукариотымогутбытькак

разворот ДНК-полимеразы отстающей цепи

одноклеточными так и многоклеточными. Они

на 180 градусов (Рис. 6.12). Согласованное

появились на Земле примерно через 500 млн.

движение двух молекул ДНК-полимераз

лет после прокариот (см. Кулаев, 1998;

обеспечивает

координированную

Алиханян и др., 1985, с.435,438).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

114

Структура и организация генома

Глава 6

 

 

Рисунок 6.12

Репликация ДНК (“модель тромбона”) (Из: Russell, 1998, p. 357).

репликацию обеих нитей. В конце процесса ДНК – лигаза катализирует формирование фосфодиэфирной связи между 3’-OH и 5’– фосфатных групп во вновь синтезированной цепиДНК.

Всего в репликационной вилке одновременно работает около двадцати разных белков (на Рис. 6.11 и 6.12 показана только часть из них). Этот комплекс ферментов называют реплисомой.

Процесс репликации хромосомы бактерий начинается в точке начала репликации и продолжается до тех пор, пока не удвоится вся ДНК хромосомы.

6.3.2. Особенности репликации ДНК у эукариот

Молекулярно - биологиче ские процессы, происходящие во время репликации ДНК, в основном похожи у эукариот и прокариот. При этом обнаружены следующиеразличия:во-первых,репликация ДНКуэукариотпроисходитнаопределенной стадии клеточного цикла, во-вторых, если бактериальная хромосома представляет собой единицу репликации - репликон, то репликация ДНК эукариотической хромосомы осуществляется посредством

разделения ее на множество отдельных репликонов.

Клеточные циклы у эукариот качественно не различаются у разных видов и при делении клеток в разных тканях одного вида. Замечены различия, главным образом, в длине цикла. Среди высших эукариот некоторые клетки делятся через 10 минут, другие через 3 часа, третьи – через 200 часов.

Клеточный цикл у большинства соматических клеток высших эукариот подразделяют на 4 стадии: G1 (gap1, предсинтетический период подготовки к синтезу ДНК), S (Synthesis, период синтеза ДНК), G2 (gap 2, постсинтетический период подготовки к клеточному делению) и M (mitosis, собственно процесс клеточного деления). В культуре клеток человека весь цикл занимает примерно 24 часа, при этом на G1, S, G2 и M стадии приходится 10, 9, 4 и 1 час соответственно. G1, S è G2 фазы вместе составляют интерфазу. Наиболее детальные данные получены при изучении клеточных циклов дрожжей (Рис. 6.13). Данные генетических и молекулярных исследований показали,чтовклеточныхциклахсуществует ряд этапов, на которых осуществляется

115

116

Глава 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура и организация генома

 

 

 

 

 

контрольпродвиженияклеткиотоднойфазы

 

клетка не выросла до нормальных размеров,

к другой – стадии проверки (checkpoints).

 

и окружающая среда недостаточно хороша,

Первая стадия проверки, называемая у

 

клетка неспособна перейти к стадии M.

дрожжей START (у млекопитающих – G1

 

Третья проверка происходит в течение

checkpoints). Если клетка не выросла до

 

фазы M: хромосомы должны быть надежно

необходимых размеров и окружающая среда

 

прикреплены к нитям митотического

недостаточно хороша,

 

клетка

 

будет

 

веретена, чтобы начать разделение хроматид.

оставаться в G1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ключевыми

компонентами,

 

В S-фазе разные участки генома

 

вовлеченными в регуляторные события в

реплицируются, по-видимому, в разное

 

чек-пойнтах, являются белки, известные под

время. В культуре клеток человека сначала

 

названием циклинов (Cyclins) и циклин-

синтезируется ДНК, которая выявляется в R-

 

зависимыхкиназ(Cdk’s).УдрожжейкаквG1,

бэндах метафазных хромосом (см. Раздел

 

такивG2 –стадияхпроверкифункционирует

9.4.3.), которые обогащены генами. В конце

 

одна и та же Cdk, у млекопитающих - две

S-периода синтезируется ДНК G-бэндов.

 

разных. Специфичность каждой из стадий

Полагают, что между этими отрезками S-

 

проверки определяется типом участвующих

периода существует стадия проверки.

 

 

 

 

в этом циклинов.

 

 

Другая стадия проверки – G2

 

 G1 один или более G1-циклинов

находится на границе G2 è M. Åñëè íå

 

связывается с Cdk (CDC28/cdc2 киназой) и

завершилась репликация всей ДНК, если

 

активирует ее. Затем Cdk фосфорилирует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ключевые белки, необходимые для

 

Рисунок 6.13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Образование комплекса G1 циклина и Cdk;

 

 

 

 

 

 

перехода в S-период. Как только

 

Cdk фосфорилирует белки, необходимые

 

 

 

 

 

 

 

циклин активирует Cdk, уровень

 

для перехода клетки в S-период

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Деградация

циклинов уменьшается из-за

 

циклин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G1

циклина

усиления процессов протеолиза.

 

(CDC28/cdc2)-зависимая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

киназа (Cdk)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогичный процесс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G1 циклин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

протекает на стадии проверки G2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

когда один или болеемитотических

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II I I I I

I I

I

I

 

 

 

 

циклинов

связывается с Cdk с

 

 

 

 

 

I

 

 

 

образованием MPF (M-phase

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

promoting factor). Затем, когда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

I

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

другие ферменты фосфорилируют

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

I

и дефосфорилируют его, MPF

 

I

 

 

 

G1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

активируется и стимулирует

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

события,

необходимые для

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

I

перехода клетки в митотическую

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

I I

 

 

 

I

 

 

G2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стадию.

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

В ходе митоза, сразу после

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

I

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

I I

I

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I I I I

 

 

 

 

 

 

 

метафазы, митотический циклин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

деградирует, что приводит к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

инактивации MPF, позволяющей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M-циклин

клетке завершить митоз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Деградация M-циклинов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У дрозофилы в ходе раннего

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эмбрионального развития (первые

 

Митотические циклины связываются с Cdk,

два часа после оплодотворения

 

образуя MPF (M-phase promoting factor), который

 

яйцеклетки сперматозоидом) ядра

 

затем активируется и стимулирует цепь событий,

 

продвигающих клетку в M-фазу

 

 

делятся каждые 9.6 мин. (при 240C).

 

Некоторые события, контролирующие прохождение через

 

Так как интерфаза в этих делениях

 

клеточные циклы у дрожжей (Из: Russell, 1998, P. 362).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в папке Генетика (Жимулев)