Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ГОС(1).doc
Скачиваний:
23
Добавлен:
15.09.2019
Размер:
1.98 Mб
Скачать
  1. Статевий процес та його біологічне значення.

Половой процесс. Половое размножение отличается наличием полового процесса, который обеспечивает обмен наследственной информацией и создает условия для возникновения наследственной изменчивости. В нем, как правило, участвуют две особи — женская и мужская, которые образуют гаплоидные женские и мужские половые клетки — гаметы. В результате оплодотворения, т. е. слияния женской и мужской гамет, образуется диплоидная зигота с новой комбинацией наследственных признаков, которая и становится родоначальницей нового организма.

Половое размножение по сравнению с бесполым обеспечивает появление наследственно более разнообразного потомства. Формами полового процесса являются конъюгация и копуляция.

Конъюгация — своеобразная форма полового процесса, при которой оплодотворение происходит путем взаимного обмена мигрирующими ядрами, перемещающимися из одной клетки в другую по цитоплазматическому мостику, образуемому двумя особями. При конъюгации обычно не происходит увеличения количества особей, но происходит обмен генетическим материалом между клетками, что обеспечивает перекомбинацию наследственных свойств. Конъюгация типична для ресничных простейших (например, инфузорий), некоторых водорослей (спирогиры).

Копуляция (гаметогамия) — форма полового процесса, при которой две различающиеся по полу клетки — гаметы — сливаются и образуют зиготу. При этом ядра гамет образуют одно ядро зиготы.

Различают следующие основные формы гаметогамии: изогамия, анизогамия и оогамия.

При изогамии образуются подвижные, морфологически одинаковые гаметы, однако физиологически они различаются на «мужскую» и «женскую». Изогамия встречается у многих водорослей.

При анизогамии (гетерогамии) формируются подвижные, различающиеся морфологически и физиологически гаметы. Такой тип полового процесса характерен для многих водорослей.

В случае оогамии гаметы сильно отличаются друг от друга. Женская гамета — крупная неподвижная яйцеклетка, содержащая большой запас питательных веществ. Мужские гаметы — сперматозоиды —- мелкие, чаще всего подвижные клетки, которые перемещаются с помощью одного или нескольких жгутиков. У семенных растений мужские гаметы — спермии — не имеют жгутиков и доставляются к яйцеклетке с помощью пыльцевой трубки. Оогамия характерна для животных, высших растений и многих грибов.

БІЛЕТ 13

  1. Гетерохроматин та механізми гарантованої репресії траскрипції. Роль посттрансляційних модифікацій гістонів та метилування ДНК у підтриманні репресованого стану. Система репресії, опосередкована білком НР1.

Великий розмір еукаріотичного геному, до половини якого до того ж припадає на послідовності, що повторюються, вимагає існування систем, які б визначали гарантовану інактивацію значної частини генетичного матеріалу. При цьому такий інактивований стан як некодуючої ДНК, так і значної частини генів у клітинах певного типу, має відтворюватись у дочірніх клітинах після мітозу.

Успадкування такої тканьоспецифічної системи репресії (при збереженні повної генетичної програми даного організму) називають епігенетичною спадковістю. В її основі лежить передача клітинам-нащадкам не просто батьківської ДНК, а хроматину разом із певними хімічними маркерами – маються на увазі патерни посттрансляційних модифікацій гістонів та метилювання ДНК. Такі маркери впізнаються відповідними білками, які вступають у різноманітні взаємодії з репресорами та корепресорами транскрипції, ферментами, що здійснюють посттрансляційні модифікації, та білками, що додатково компактизують хроматинову фібрилу. В першу чергу, подібні системи працюють у ділянках гетерохроматину (heterochromatin) – частини хроматину, що зберігає високий ступінь компактності протягом інтерфази. Прикладами конститутивного гетерохроматину (такого, що утворюється в усіх клітинах) є теломерні та центромерні зони хромомом, одна з Х-хромомсом самок ссавців. Інші гетерохроматинові зони є специфічними для клітин певного типу.

Деацетилювання гістонів

Якщо ацетилювання гістонів завжди корелює з підвищеною транскрипційною активністю, деацетилювання, яке здійснюється гістон-деацетилазними комплесами (HD, позначаються також як HDAC), завжди пов'язане з репресією. Як і ацетилтрансферази, деацетилази постійно безадресно працюють у хроматині, підтримуючи певний базовий баланс ацетилювання/деацетилювання гістонів. При активації певного промотору ацетилтрансферази здійснюють адресне гіперацетилювання, а після зникнення активуючого сигналу HD повертають промотор до базового неактивного стану. Деацетилази також можуть бути адресно рекрутовані до промоторів репресорами транскрипції для підтримання гарантованого деацетильованого статусу.

Поряд із такою динамічною регуляцією активності, деацетилювання гістонів завжди здійснюється у гетерохроматинових ділянках. Прикладом, який демонструє майже виключну роль деацетилювання у підтриманні гетерохроматинового стану є теломери дріжджів (рис. 6.24). Теломерні повтори на кінці хромосоми впізнаються ДНК-зв'язуючим білком Rap1 (Repressor activator protein 1), який рекрутує білок Sir4 (Silencing information regulator). Цей останній зв'язує ще два білки – Sir3 та Sir2, останній є гістон-деацетилазою. Sir2 здійснює деацетилювання Lys16 гістона Н4, цей деацетильований залишок впізнається новим Sir3, утворюється новий Sir-комплекс, здійснюється деацетилювання нової нуклеосоми – процес деацетилювання та збірки Sir-комплексу розповсюджується вздовж фібрили. Розповсюдження гетерохроматинової зони обмежується границею, фізична природа якої є не зовсім зрозумілою.

За рахунок взаємодії між Sir-комплексами на кінцях хромосоми утворюється компактна зіпер-подібна структура (рис. 6.24). Утворення таких структур завдяки певних білків є досить загальною ознакою інших гетерохроматинових ділянок.

НР1-залежна система репресії

Білок НР1 (Heterochromatin Protein 1) містить два структурні домени: хромодомен (модуль, що впізнає метильовані лізинові залишки) та так званий хромошедоу (chromoshadow) домен, який має спорідненість до певних специфічних HD та гістон-метилтрансферази (HMT), а також здатен взаємодіяти з іншою молекулою НР1.

Прикладом залучення НР1 до утворення гетерохроматину є центромери хромосом (рис. 6.25). Деацетилювання Lys9 і Lys14 гістона Н3 сприяє зв'язуванню специфічної НМТ, яка здійснює метилювання Lys9 гістона Н3. Цей метильований Lys (Me-Lys9) впізнається хромодоменом НР1. Завдяки хромошедоу-домена НР1 рекрутує HD, яка підтримує деацетильований статус суміжних нуклеосом, та ту саму НМТ, що здійснює метилювання Lys9 у складі суміжних нуклеосом: знов виникає лавиноподібний процес, що самопідтримується та розповсюджується на сусідні ділянки. Взаємодія між білками НР1 (деталі якої не з'ясовані) забезпечує додаткову компактизацію фібрили. Природа границі, яка обмежує гетерохроматин у центромерній зоні не з'ясована, але гранична ділянка містить свій специфічний маркер – метильований Lys4 гістона Н3 (і деметильований Lys9).

При реплікації білки тимчасово знімаються з ДНК у точці реплікації (розділ 9). Реплікація ДНК здійснюється нерівномірно – гетерохроматин реплікується у останню чергу. За точкою реплікації гістони батьківського хроматину (які несуть на собі гетерохроматинові маркери) повертаються на дочірні молекули ДНК разом із гістонами, синтезованими de novo, НР1 також повертається на той самий локус, де він був присутній, і відновлює патерни модифікацій гістонів та компактний (репресований) стан гетерохроматинової ділянки. Тобто, гетерохроматиновий стан даного локусу відновлюється у дочірніх клітинах. При цьому НР1 має спорідненість до білків ламіни (розділ 4), що зумовлює розташування гетерохроматину у періферічних зонах клітинного ядра.

Подібна система репресії за участю НР1 широко використовується у інших ділянках гетерохроматину, а також для гарантованого блокування генів в еухроматинових зонах. Метилювання Lys9 гістона Н3 та деацетильований стан лізинів гістонів Н3/Н4 є найбільш характерною ознакою таких ділянок. Як описано вище, обидві модифікації самопідримуються та підтримують одна одну через опосередковану дію НР1. При цьому важливу роль у забезпеченні репресованого стану відіграє інша ковалентна модифікація – метилювання цитозинів ДНК, яка також відновлюється при клітинному поділі й замикає своєрідне “коло репресії“ (рис. 6.26).

Метилювання ДНК

Субстратом метилювання ДНК є цитозини (метильна група приєднується до п'ятого атому кільця з утворенням 5mC – 5-метилцитозину) у складі динуклеотидів CpG (рис. 6.27). Взагалі до 70-80% динуклеотидних контактів CpG є метильованими по обом цитозинам в еукаріотичному геномі. Зони, де підтримується деметильований стан CpG (CpG-острівці, див. розділ 4), часто розташовані у промоторах генів домашнього господарства – таких, що є активними незалежно від спеціалізації клітин.

Патерн тканьоспецифічного метилювання ДНК є результатом двох процесів: підтримання метильованого статусу після реплікації та метилювання de novo.

Підтримуюча ДНК-метилтрансфераза (DNA methyltransferase, Dnmt) спрацьовує протягом 1-2 хв після реплікації: дві дочірні молекули ДНК містять батьківскій ланцюг ДНК (з 5mС у складі CpG) та ланцюг, що синтезовано, де С не є метильованим. Dnmt впізнає такі напівметильовані динуклеотидні контакти і відновлює симетрію щодо метилювання С. За рахунок цього процесу патерн метилювання відтворюється у дочірніх клітинах, що є, поряд з відновленням модифікацій гістонів, одним з важливих механізмів епігенетичного спадкування.

Інші ДНК-метилтрансферази здійснюють метилювання ДНК de novo. Особливо важливим цей процес є на ранніх стадіях ембріонального розвитку, коли ДНК є тотально деметильованою. Пізніше здійснюється масове метилювання ДНК, що визначає специфічне вимикання певних груп генів при диференціюванні клітин. Крім того, деметилювання є можливим і в диференційованих клітинах, де Dnmt використовуються для відновлення метильованого статусу.

Отже, метилювання ДНК є ознакою репресованих та гетерохроматинових ділянок. Залучення 5mС до репресії пов'язане з наявністю у складі певних білків особливих структурних модулів – MBD (Methyl Binding Domain), що мають специфічну спорідненість до метильованих CpG динуклеотидів. Білки, що містять MBD, є компонентами різноманітних репресуючих комплексів. Зокрема, такі білки рекрутують до метильованих ділянок хроматину гістон-деацетилази. З іншого боку, деацетильований стан гістонових хвостів блокує деметилюючі активності, і навпаки – ацетилювання хвостів може викликати деметилювання ДНК у активних ділянках.

Аналогічно, білки, що містять MBD, рекрутують гістон-метилтрансферазу, яка здійснює метилювання Lys9 гістона Н3, що призводить до репресії (рис. 6.25, 6.26). І навпаки: Me-Lys9 впізнається білком, що містить хромодомен і рекрутує ДНК-метилтрансферазу.

Хоча Me-Lys9 та 5mС є загальними маркерами конститутивно репресованих ділянок хроматину, не завжди репресія та додаткова компактизація залежить від НР1 – реалізуються також інші системи, більшість з яких є ще не достатньо вивченими. Прикладом такої системи є інактивація однієї з Х-хромосом у клітинах самок ссавців. У складі Х-хромосоми, яка буде інактивованою (обирається випадково на ранніх стадіях розвитку), спрацьовує ген Xist, що продукує велику некодуючу молекулу РНК. Ця РНК вкриває собою хромосому і взаємодіє з низкою білків, серед яких – варіант гістона Н2А macroH2A. Імовірно, macroH2A рекрутує гістон-метилтрансферазу (здійснюється метилювання Lys9 гістона Н3) та гістон-деацетилазу. Метилювання Lys9, у свою чергу, зумовлює метилювання ДНК (що призводить до появи епігенетичної спадковості). Крім того, до Х-хромосоми рекрутуються структурні компактизуючі білкі (але не НР1).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]