Genetika_cheloveka_Shevchenko

потребовало "антипараллельности" нуклеотидных цепочек, как это изображено на рисунке (рис. 3.5).

Нуклеиновые кислоты — это очень длинные полимерные цепочки. Интактные молекулы ДНК содержат в зависимости от вида организмов от нескольких тысяч до многих миллионов нуклеотидов. Для любой последовательности азотистых оснований возможна равная ей по длине комплементарная последовательность, составляющая вторую цепь двойной спирали. Конкретная последовательность пар А-Т и Г-Ц не влияет на структуру молекулы ДНК, образующей двойную спираль. Возможное число различных последовательностей пар оснований в молекуле ДНК практически бесконечно и способно кодировать колоссальное количество информации.

Из модели следует, что физическая структура природной ДНК может сильно изменяться при нагревании или титровании, когда не нарушаются ковалентные, но разрываются водородные связи, в результате чего две цепи отделяются друг от друга.

Поскольку цепи ДНК комплементарны, каждая из них при расплетании двойной спирали способна служить матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Последовательность оснований во вновь синтезируемой цепи будет определяться спецификой водородных связей между азотистыми основаниями родительской и вновь синтезируемой цепи (рис. 3.6). Таким образом, генетическая информация, содержавшаяся в последовательности пар оснований родительской молекулы, будет полностью воспроизведена в

двух дочерних молекулах. Более того, если в процессе удвоения ДНК произошла ошибка и какой-либо нуклеотид во вновь образуемой цепи выпал или оказался некомплементарным исходному, то это может изменить информационное содержание молекулы,

причем логично ожидать, что эта ошибка будет передана дочерним молекулам ДНК в следующих поколениях. Такая замена пары нуклеотидов будет обладать свойствами генетических мутаций. Модель структуры ДНК Уотсона и Крика объясняет как способ-

ность генов к самоудвоению (репликации), так и их информационные свойства.

Упаковка ДНК в хромосомах

Молекулы ДНК в эукариотических клетках очень велики. Так, длина молекул ДНК, выделенных из клеток человека, достигает нескольких сантиметров. Принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну — единственную непрерывную молекулу ДНК. Учитывая видовое количество хромосом у млекопитающих, можно сказать, что в среднем у них на интерфазное ядро приходится около 2 м ДНК, находящейся в сферическом ядре диаметром менее 10 мкм. При этом в ядре должен сохраняться определенный порядок расположения молекул ДНК, чтобы обеспечить ее упорядоченное функционирование.

Молекулы ДНК в ядрах эукариотических клеток всегда находятся в комплексе с белками в составе хроматина, который образуется из хромосом после окончания деления ядер в результате сложного процесса раскручивания (деспирализации) хромосом.

На долю белков приходится около 60% сухого веса хроматина. Белки в его составе очень разнообразны. Обычно их разделяют на две группы: гистоны и негистоновые белки. Именно гистоны, характерные только для эукариотических клеток, осуществляют первые этапы упаковки ДНК, очень схожие у большинства изученных объ-

ектов. На долю гистонов приходится до 80% всех белков хроматина. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет ионных связей и не зависит от последовательности нуклеотидов в составе молекулы ДНК. Гистоны не отличаются большим разнообразием. Это глобулярные белки, представленные 5-7 типами молекул. Наиболее известны следующие классы гистонов: HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Их основные свойства определяются относительно высоким содержанием основных аминокислот: лизина и аргинина (рис. 3.7). Положительные заряды на аминогруппах указанных аминокислот обеспечивают электростатическую связь гистонов с отрицательными зарядами на фосфатных группах ДНК. Из всех ядерных белков гистоны изучены наиболее хорошо. Их молекулярная масса относительно невелика (максимальная — у гистона НЗ — 153 тыс. дальтон). Практически у всех эукариот они обладают сходными свойствами и подразделяются на одни и те же классы. Из исследованных эти белки наиболее консервативны: их аминокислотные последовательности близки даже у отдаленных видов. Исключение составляют гистоны HI, для которых характерны значительные межвидовые и межтканевые вариации. В процессе жизнедеятельности клеток гистоны могут подвергаться посттрансляционным модификациям, что изменяет их свойства и способность связываться с ДНК. Гистоны синтезируются в цито-

плазме, переносятся в ядро и связываются с ДНК во время ее репликации в S-периоде клеточного цикла. Включившиеся в хроматин гистоны очень стабильны и имеют низкую скорость обмена.

Присутствие гистонов во всех эукариотических клетках, их сходство даже у очень отдаленных видов, обязательность в составе хромосом и хроматина — все это говорит о чрезвычайно важной роли этих белков в жизнедеятельности клеток. Этапным событием в изучении упаковки ДНК в состазе хроматина стало открытие нуклеосом частиц, в которых происходит первый этап упаковки ДНК в хроматине. Сердцевина нуклеосомы всегда консервативна, содержит восемь молекул: по две молекулы гистонов Н4, НЗ, Н2А, Н2В. По поверхности сердцевины располагается участок ДНК из 146 нуклеотидных пар, образующий 1,75

оборота вокруг сердцевины. Небольшой участок ДНК остается несвязанным с сердцевиной, он называется линкером (рис. 3.8). В разных объектах линкерный участок может варьировать от 8 до 114 нуклеотидных пар на нуклеосому. Рассчитано, что на весь гаплоидный геном человека (3 х 109 пар оснований) приходится 1,5 х 107 нуклеосом. Общий вид хроматина, представленного молекулой ДНК, упакованной с помощью нуклеосомных структур, можно сравнить с бусами на нитке (рис. 3.9). Нуклеосомы способны к самосборке при наличии в пробирке ДНК и гистонов в определенном соотношении. Первый нуклеосомный уровень компактизации ДНК увеличивает плотность упаковки ДНК

в6-7раз.

Вследующий этап упаковки нуклеосомная структура хроматина вовлекается с помощью гистона HI, кото-

структур, которые обладают оптической и электронной плотностью и называются хромомерами (рис. 3.12). Предполагается, что вдоль хромосомы расположено большое количество хромомср, соединенных между собой в единую структуру участками хроматина с пуклеосомной или соленоидной упаковкой ДНК. Каждая пара гомологичных хромосом имеет свой хромомерный рисунок, который можно выявить с помощью специальных методов окрашивания при условии спирализации хроматина и перехода его в состояние хромосом.

Петельно-розеточная структура хроматина обеспечивает ие только упаковку ДНК, но и организует функциональные хромосом, поскольку в своих основаниях петли ДНК связаны с негистоновыми белками, в состав которых могут входить ферменты репликации, обеспечивающие удвоение ДНК, и ферменты транскрипции, благодаря которым происходит синтез всех типов РНК.

Участки ДНК, упакованные в виде гетерохроматина, могут иметь двоякую природу. Различают два типа гете-

рохроматина: факультативный и конститутивный (структурный). Факультативный гетерохроматин представляет собой участки генома, временно инактивированные в тех или иных клетках. Примером такого хроматина служит половой гетерохроматин инактивированной Х-хромосомы в соматических клетках женщин. Структурный гетерохроматин во всех клетках постоянно находится в неактивном состоянии и, вероятно, выполняет структурные или регуляторные функции.

Организация генетического материала в хромосомах человека

Общая организация хромосом человека традиционна: в метафазе хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных между собой в- районе первичной перетяжки (центромеры). Центромера делит хроматиду на два плеча. Плечи могут быть равными, тогда хромосома называется метацентрической. Если одно плечо немного короче другого, то хромосомы именуются субметацентрическими. В нескольких парах хромосом человека одно плечо сильно короче другого, такие

низации веретена деления. В районе центромеры в профазе формируется особая белковая структура, имеющая сродство к белкам микротрубочек веретена деления. Микротрубочки веретена деления соединяются с хроматидами в районе центромеры так, что на один центромерный район может приходиться более десяти микротрубочек. Очень важным моментом в прохождении митоза является синхронность одновременного разделения всех хромосом на две хроматиды. Считается, что ведущая роль в регуляции этого процесса также принадлежит центромерам.

Рассматривая общую морфологию хромосом, нельзя обойти вниманием их концевые участки, называемые теломерами. Концы хромосом — теломеры, имеют особенности в первичной и третичной структурах, но об этом речь пойдет несколько позже. Сначала ознакомимся с функциями теломерных районов. Когда деление клетки закончено и формируются новые клеточные ядра, то с помощью теломер хромосомы прикрепляются к внутренней ядерной мембране, в результате чего каждая хромосома в деспирализованном состоянии занимает в ядре строго определенное место. Помимо этого теломерные районы предотвращают слипание хромосом своими концами и препятствуют образованию дицентриков хромосом с двумя центромерами, наличие которых свидетельствует о патологических картинах митоза. Одновременно теломеры стабилизируют хромосомы, защищая их от деградации клеточными нуклеазами — ферментами, катализирующими гидролиз всех незащищенных ДНК или их фрагментов. В последнее время стало известно еще одно назначение теломерных концов: благодаря им происходит полное

завершение редупликации хромосом при подготовке клетки к делению. Среди ферментов, участвующих в удвоении ДНК, помимо уже известных ДНК-иолимеразы, ДНК-лигазы, геликазы, топоизомеразы, а также стабилизирующих белков, особое внимание следует уделить теломеразе, которая помогает завершить репликацию ДНК на отстающей цепи.

Принято считать, что каждая хроматида содержит одну из двух идентичных дочерних молекул ДНК, образующихся в процессе репликации. Молекула ДНК представляет собой непрерывную сверхскрученную двойную спираль, простирающуюся по всей длине хроматиды. Функционально эта нить подразделяется на большое число отрезков, соответствующих отдельным генам. Каждый ген несет информацию о первичной структуре отдельной полипиптидной цепи, рибосомной РНК, транспортной РНК или выполняет регуляторную функцию. Кроме того, в составе непрерывной нити ДНК, наряду со смысловыми генами, находятся многократно повторяющиеся одинаковые или сходные по составу нуклеотидные последовательности, выполняющие, вероятно, регуляторные или структурные функции.

Информация о первичной структуре полипептидов (последовательности аминокислот в них) записана в ДНК в виде трехбуквенного кода, составленного из первых букв названий четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК (АТГЦ). Каждой аминокислоте соответствует определенный триплет из трех соседних нуклеотидов. Например, аминокислоте фенилаланин в ДНК соответствует кодон AAA, а аминокислоте серин — АГА. Из 64 возможных триплетов 61 кодирует 20 аминокислот, обнаруженных в составе

клеточных белков, а 3 кодона являются стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Если триплет, соответствующий метионину, стоит в начале цепи ДНК, то он выполняет функцию возбуждения считывания. (Кодоны, выполняющие сигнальные функции, называют нонсенс — кодонами). Генетический код вырожден, т. е. каждая аминокислота может кодироваться несколькими вариантами триплетов. Для осуществления синтеза полипептидов генетическая информация, закодированная в ДНК в составе хроматина, переписывается (процесс транскрипции) по принципу комплементарное™ азотистых оснований на информационную РНК, которая переходит из ядра в цитоплазму, где принимает участие в процессе трансляции: переводе информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, т. е. процессе синтеза белка. Каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота. Процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без знаков препинания и пропусков вплоть до нонсенс-кодонов. Положение первого кодона определяет границы рамки считывания. Генети-

ческий код человека не отличается по каким-либо параметрам от генетического кода любых других эукариотических организмов.

В пределах одного гена, который кодирует полипептид, участок молекулы ДНК подразделяется на функционально различные единицы (рис. 3.14). Отличительная черта строения многих генов эукариот — прерывистость структуры смысловой части. Смысловые участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке — экзоны, чередуются с участками некодирующих последовательностей — интронами. Часто интроны по длине могут превосходить экзоны. Наличие избыточных последовательностей приводит к тому, что длина гена может быть в несколько раз больше, чем требуется для кодирования аминокислот в белке. Гаплоидный набо[> хромосом человека содержит 3,5 х 10 нуклеотидных пар, что но количеству соответствует примерно 1,5 млн. пар генов. Однако данные по изучению генома человека показывают, что организм человека имеет не более 100 тыс. генов. Это значит, что в клетках человека только 1% ДНК выполняет кодирующие функции. В отношении оставшихся 99% существуют разные гипотезы, обосновывающие их регуляторные и