Ядерные детерминанты наследственности

С учетом эволюционного уровня организмов существует несколько форм организации ядерных генетических детерминантов.
Вирусный геном. Наиболее простой формой ядерной организации гено-ма вообще является вирусный геном, который, как уже отмечено, очень услов-но часто называют вирусной хромосомой. Геном самых малых РНК-овых виру-сов представлен последовательностями, состоящими из нескольких тысяч нук-леотидов, что соответствует нескольким генам. Например, полная нуклеотид-ная последовательность РНК-содержащего бактериального вируса MS состав-ляет 3569 нуклеотидов (три гена). Наименьшие по размерам ДНК-содержащие вирусы состоят из большего количества пар нуклеотидов. Например, полная нуклеотидная последовательность фага ФХ174 составляет 5375 пар нуклеоти-дов (8 генов). Геном более крупных ДНК-овых вирусов, например, фага Т2 и оспенного вируса, состоит из около 150 генов. Геном цитомегаловируса состав-ляет 229 000 азотистых оснований.
Геном прокариот. У микоплазм, являющихся примером, возможно, са-мых мелких прокариот, геном составляет всего лишь несколько сот тысяч пар оснований. Например, у Mycoplasma genitalium геном составляет 580 000 пар оснований или 470 кодирующих генетических районов. Однако лишь один ге-нетический район участвует в кодировании белков, тогда как в контроле адге-зии (прилипания) к соматическим клеткам поражаемого организма участвует 5% гено-ма. Возможно, это связано с тем, что М. genitalium существует в ассо-циации с соматическими клетками человека.
ДНК в клетках Е. соИ представлена одиночной двухцепочечной кольце-вой молекулой, м. м- около 2 х 109, что составляет, примерно, 3 х 106 пар азоти-стых оснований. Она выполняет роль функционально активной хромосомы, по-лучившей название нуклеоида. Последний является гаплоидной структурой. Поскольку расстояние между парами азотистых оснований в ДНК Е. coli со-ставляет около 3,4 А, то контурная длина молекулы ДНК бактерий этого вида составляет около 0,1 см, что превышает длину содержащей ее клетки примерно в 600 раз, а диаметр лишь 20 А (диаметр одиночной клетки Е. coli равен около 0,75). Поэтому считают, что хромосома (ДНК) внутри бактерий этого вида су-ществует в виде «свернутого генома», занимающего '/в объема клетки, т. е, в свернутой (скрученной) форме в виде около 50 петель, каждая из которых на-ходится в сверхскрученной форме. Поскольку «свернутый геном» можно дес-табилизировать обработкой РНК-азой, то считают, что в его состав входит так-же и РНК. Кроме того, в его составе обнаружены низкомолекулярные белки, роль которых еще не выяснена.
Хромосома Е. coli содержит около 3000-4000 генов, которые организова-ны на основе принципа колинеарности, означающего, что существует линейное соответствие первичной структуры гена структуре полипептидной цепи, т. е. непрерывность последовательности нуклеотидов сопровождается непрерывно-стью последовательности аминокислот в полипептидах.
Геном Haemophilus influenzae составляет 1,8 х 10е пар оснований, которые организованы в 1743 кодирующих районах.
Молекулы ДНК прокариот содержат последовательности азотистых ос-нований, которые все являются кодирующими. В геноме прокариот каждый ген размером в несколько тысяч пар оснований повторяется лишь один раз в гено-ме. Исключение составляют гены для рибосомной РНК. Если прокариотическая хромосома разрывается на несколько сегментов, то каждый из них будет со-держать различные последовательности.
Геном эукариотов. Геном эукариотов по своим размерам больше генома Е. coli лишь в 2—10 раз, однако ДНК в нем значительно больше. Установлено, что помимо «работающей» ДНК, т. е. помимо эксо-нов и интронов, в хромосо-мах клеток эукариот, в частности в гетерохроматиновых районах хромосом со-держится много ДНК, которая является излишней, т. к. не транскрибируется. Такую ДНК называют сателлитной или «эгоистической» (от англ. selfish — эгоистичный). Количество некодирующей ДНК у разных организмов является различным. Например, у дрожжей оно составляет 30% от общего количества ДНК, у насекомых — 67%, у цветковых растений (ара-бидопсис) — 69%, у не-матод — 75%, у человека — 73-91%.
Примечательной особенностью некодирующей ДНК является то, что оп-ределенные последовательности оснований в ней неоднократно повторяются. Такие последовательности называют повторяющимися или просто повторами. Напротив, последовательности ДНК, которые не повторяются, т. е. существуют в одиночных копиях, называют уникальными. Их фракция составляет обычно 40—80%.
Длина повторов составляет обычно от нескольких до десятков или сотен пар оснований, причем у эукариотов повторы, как правило, локализованы в ге-терохроматиновых районах хромосом, и их содержание может быть как про-стым, например 5'-АТАТАТ-3' в одной цепи и 3'-ТАТАТА-5' в другой, так и бо-лее сложным, например 5'-ГАААААТГА-3' в одной цепи и 3'-ЦГГГГГАЦТ-5' в другой.
Среди повторяющихся некодирующих последовательностей ДНК разли-чают микросателлитные, минисателлитные и сателлитные последовательности .
Микросателлитные (простые) повторяющиеся последовательности пред-ставляют собой короткие повторы (3-5 пар оснований). Они найдены в геномах насекомых, позвоночных и растений. В геноме человека такие последователь-ности встречаются в эухромати-новых районах в количестве примерно 100 ко-пий на геном.
Минисателлитные повторяющиеся последовательности представлены по-вторами, состоящими примерно на 15 пар азотистых оснований. Эти повторы обнаружены в геномах многих позвоночных и растений, включая микроскопи-ческие грибы.
Сателлитные повторяющиеся последовательности состоят из 5-10 пар азотистых оснований, а иногда даже и из 100 пар. Эти последовательности об-наружены в гетерохроматиновых районах хромосом человека ближе к центро-мерам или в Y-хромосоме.
Биологическое значение эгоистической ДНК остается неясным, т. к. не выяснена точно необходимость в этих сегментах ДНК и причины, поддержи-вающие их в составе кодирующей ДНК.
Биологическое значение повторов в «эгоистической» ДНК также не вы-яснено. Однако предполагают, что они вовлечены в регуляцию экспрессии и рекомбинацию генов, а также в «защиту» некоторых структурных генов, в ча-стности генов, детерминирующих синтез гистонов, рРНК или рибосомных бел-ков.
Для ДНК эукариотических клеток характерно также наличие палиндро-мов, т. е. обращенных повторов. Они встречаются в огромном количестве ко-пий (возможно, в тысячах копий), причем их длина различна. Функции длин-ных палиндромов неизвестны. Что касается коротких палиндромов, то они служат сайтами узнавания ферментами-рестриктазами (см. гл. XIX).
Повторяющиеся последовательности реплицируются в геномах благодаря совместной репликации с хромосомами. Реплицируются хромосомы, реплици-руются и повторяющиеся последовательности.
Большинство структурных генов представлено однокопийными последо-вательностями ДНК, т. е. существует в одной копии. Некоторые гены сущест-вуют в 1—3 копиях, но известны гены, которые представлены множественны-ми копиями (см. § 58).
Поскольку у эукариотов ДНК содержится в каждой хромосоме, а каждая хромосома представлена в двух (диплоидных) или более (полиплоидных) копи-ях, то количество ДНК в хромосомах зависит от их плоидности. Например, гап-лоидный набор хромосом половых клеток человека содержит ДНК длиной 1000 мм, причем метр этой ДНК разделяется между 23 хромосомами, для которых характерны разные размеры и формы. Следовательно, в каждой хромосоме со-держится ДНК длиной от 15 до 85 мм ДНК. Напротив, диплоидный набор хро-мосом содержит ДНК длиной около 2000 мм.
Исходя из того, что организм человека состоит из около 1013 клеток, мож-но заключить, что протяженность всей ДНК человека составляет 21010 км (расстояние от Земли до Солнца равно 1,44108 км).
Гетерогенность длины нуклеосомной ДНК определяется вариабельно-стью в длине ДНК, сцепливающей одну нуклеосому с другой. Какова роль не-гистоновых белков, обычно обнаруживаемых в хроматине — это вопрос, кото-рый подлежит еще выяснению.
В случае прокариотов между генами последовательность азотистых осно-ваний ДНК и полипептидной цепью существует коли-неарность. Однако у эу-кариотов гены вдоль хромосом располагаются не непрерывно, поскольку они разделены другими последовательностями ДНК. Поэтому колинеарности в слу-чае эукариотов не существует. Кроме того, в геноме эукариотов различают два типа последовательностей — транскрибируемые и транслируемые последова-тельности, которые определяют первичнуюструктуру белков и называются эк-сонами, и транскрибируемые, но не транслируемые («молчащие») последова-тельности, называемые интронами. Следовательно, гены содержат как эксоны, так и интроны (см. гл. XII). Можно сказать, что для генов эукариотов характер-на мозаичность, которая имеет место практически на протяжении всего генома.