Ярыгин В.Н., Васильева В.И., Волков И.Н., Синельщикова В.В. Биология. Книга 1
Подождите немного. Документ загружается.
121
информации с одной и той же последовательности ДНК, позволяют предположить,
что перекрывающиеся гены представляют собой довольно распространенный
элемент организации генома вирусов и, возможно, прокариот. У эукариот
прерывистость генов также обеспечивает возможность синтеза разнообразных
пептидов на основе одной и той же последовательности ДНК.
Имея в виду все сказанное, необходимо внести поправку в определение гена.
Очевидно, нельзя бол
ьше говорить о гене как о непрерывной последовательности
ДНК, однозначно кодирующей определенный белок. По-видимому, в настоящее
время наиболее приемлемой все же следует считать формулу «Один ген — один
поли-пептид», хотя некоторые авторы предлагают ее переиначить: «Один
полипептид — один ген». Во всяком случае, под термином ген надо понимать
функциональную единицу наследст
венного материала, по химической природе
являющуюся полинуклеотидом и определяющую возможность синтеза
полипептидной цепи, тРНК или рРНК.
3.4.4. Функциональная характеристика гена
В процессе реализации наследственной информации, заключенной в гене,
проявляется целый ряд его свойств. Определяя возможность развития отдельного
качества, присущего данной клетке или организму, ген характеризуется
дискретностью действия.
Ввиду того что в гене заключается информация об аминокислотной
последовательности определенного полипептида, его действие является
специфичным. Однако в некоторых случаях одна и та же нуклео
тидная
последовательность может детерминировать синтез не одного, а нескольких
полипептидов. Это наблюдается в случае альтернативного сплайсинга у эукариот и
при перекрывают генов у фагов и прокариот. Очевидно, такую способность следует
оценить как множественное, или плейотропное, действие гена (хотя традиционно
под плейотропным действием гена принято понимать участие его продукта —
полипептида — в разных биохимических процессах, имеющих отношени
е к
формированию различных сложных признаков). Например, участие фермента (рис.
3.45) в ускорении определенной реакции (А → В), которая является звеном
нескольких биохимических процессов, делает зависимыми результаты этих
процессов (D и Е) от нормального функционирования гена а, кодирующего этот
белок.
Определяя возможность транскрибирования мРНК для синтеза конкретной
полипептидной цепи, ген характеризуется дозированностью действия, т.е.
количественной зав
исимостью результата его экспрессии от дозы соответствующего
аллеля этого гена. Примером может служить зависимость степени нарушения
транспортных свойств гемоглобина у человека при серповидно-клеточной анемии от
дозы аллеля HbS. Наличие в генотипе человека двойной дозы этого аллеля,
приводящего к изменению структуры β-глобинов
ых цепей гемоглобина,
сопровождается грубым нарушением формы эритроцитов и развитием клинически
122
выраженной картины анемии вплоть до гибели. У носителей только одного аллеля
HbS при нормальном втором аллеле лишь незначительно изменяется форма
эритроцитов и анемия не развивается, а организм характеризуется практически
нормальной жизнеспособностью.
Рис. 3.45. Зависимость формирования нескольких признаков
от нормального функционирования продукта гена
Нарушение реакции А → В, катализируемой белком, в результате мутации гена
ведет к выключению последующих этапов формирования признаков D и Е
3.4.5. Биологическое значение генного уровня организации наследственного
материала
Дискретность наследственного материала, предположение о которой высказал
еще Г. Мендель, подразумевает делимость его на части, являющиеся
элементарными единицами,—гены. В настоящее время ген рассматривают как
единицу генетической функции. Он представляет собой минимальное количество
наследственного материала, которое необходимо для синтеза тРНК, рРНК или
полипептида с определенными свойствами. Ген несет ответственность за
формирование и передачу по наследст
ву отдельного признака или свойства клеток,
организмов данного вида. Кроме того, изменение структуры гена, возникающее в
разных его участках, в конечном итоге приводит к изменению соответствующего
элементарного признака.
Таким образом, на генном уровне организации наследственного материала
обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальное изменение
отдельных признаков и свойств клеток, организмов данного вида.
Реальное сущест
вование генного уровня организации наследственного
материала дало возможность исследователям при анализе характера наследования
отдельных признаков открыть главные закономерности, которые легли в основу
наших представлений об организации материального носителя наследственности и
изменчивости.
3.5. ХРО
МОСОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО
МАТЕРИАЛА
123
3.5.1. Некоторые положения хромосомной теории наследственности
Термин хромосома был предложен в 1888 г. немецким морфологом В.
Вальдейером, который применил его для обозначения внутриядерных структур
эукариотической клетки, хорошо окрашивающихся основными красителями (от
греч. хрома — цвет, краска, и сома — тело). К началу XX в. углубленное изучение
поведения этих структур в ходе самовоспроизведения клеток, при созревании
половых клеток, при оплодотворении и раннем развитии зародыша обнаружило
строго за
кономерные динамические изменения их организации. Это привело
немецкого цитолога и эмбриолога Т. Бовери (1902—1907) и американского цитолога
У. Сеттона (1902—1903) к утверждению тесной связи наследственного материала с
хромосомами, что легло в основу хромосомной теории наследственности. Детальная
разработка этой теории была осуществлена в начале XX в. школой американских
генетиков, возглавляемой Т. Морганом.
Работы Т. Моргана и его сотрудни
ков не только подтвердили значение
хромосом как основных носителей наследственного материала, представленного
отдельными генами, но и установили линейность расположения их по длине
хромосомы.
Доказательством связи материального субстрата наследственности и
изменчивости с хромосомами было, с одной стороны, строгое соответствие
открытых Г. Менделем закономерностей наследования признаков поведению
хромосом в ходе митоза, при мейоз
е и оплодотворении. С другой стороны, в
лаборатории Т. Моргана был обнаружен особый тип наследования признаков,
который хорошо объяснялся связью соответствующих генов с Х-хромосомой. Речь
идет о сцепленном с полом наследовании окраски глаз у дрозофилы.
Представление о хромосомах как носителях комплексов генов было высказ
ано
на основе наблюдения сцепленного наследования ряда родительских признаков друг
с другом при передаче их в ряду поколений. Такое сцепление неальтернативных
признаков было объяснено размещением соответствующих генов в одной
хромосоме, которая представляет собой достаточно устойчивую структуру,
сохраняющую состав генов в ряду поколений клеток и организмов.
Согласно хромосомной теории наследственности, совокупность генов,
входящих в состав одной хромосомы, образует группу сцепления. Кажд
ая хромосома
уникальна по набору заключенных в ней генов. Число групп сцепления в
наследственном материале организмов данного вида определяется, таким образом,
количеством хромосом в гаплоидном наборе их половых клеток. При
оплодотворении образуется диплоидный набор, в котором каждая группа сцепления
представлена двумя вариантами — отцовской и материнской хромосомами,
несущи
ми оригинальные наборы аллелей соответствующего комплекса генов.
Представление о линейности расположения генов в каждой хромосоме
возникло на основе наблюдения нередко возникающей рекомбинации
(взаимообмена) между материнским и отцовским комплексами генов,
заключенными в гомологичных хромосомах. Было установлено, что частота
124
рекомбинации характеризуется определенным постоянством для каждой пары генов
в данной группе сцепления и различна для разных пар. Это наблюдение дало
возможность высказать предположение о связи частоты рекомбинации с
последовательностью расположения генов в хромосоме и процессом кроссинговера,
происходящим между гомологами в профазе I мейоза (см. разд. 3.6.2.3).
Представление о линейном распределении генов хорошо объясняло зависимост
ь
частоты рекомбинации от расстояния между ними в хромосоме.
Открытие сцепленного наследования неальтернативных признаков легло в
основу разработки методики построения генетических карт хромосом с
использованием гибридологического метода генетического анализа.
Таким образом, в начале XX в. была неопровержимо доказана роль хромосом
как основных носителей наследственного материала в эука-риотической клетке.
Подтверждение этому было получено при изучении химического со
става хромосом.
3.5.2. Физико-химическая организация хромосом эукариотической клетки
3.5.2.1. Химический состав хромосом
Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток
показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют
нуклеопротеиновый комплекс—хроматин, получивший свое название за
способность окрашиваться основными красителями.
Как было доказано многочисленными исследованиями (см. § 3.2), ДНК
является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и
заключает в себе биологическую информацию — программу развития клет
ки,
организма, записанную с помощью особого кода. Количество ДНК в ядрах клеток
организма данного вида постоянно и пропорционально их плоидности. В
диплоидных соматических клетках организма ее вдвое больше, чем в гаметах.
Увеличение числа хромосомных наборов в полипловдных клетках сопровождается
пропорциональным увеличением количества ДНК в них.
Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю
приходится около 65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются
на две группы: гистоны и негистоновые белки.
Гистоны представлены пятью фракци
ями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь
положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно
соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней
биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти
белки выпол
няют структурную функцию, обеспечивая пространственную
организацию ДНК в хромосомах (см. разд. 3.5.2.2).
Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты
синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки
хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Помимо ДНК и
белков в состав
е хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды,
125
ионы металлов.
РНК хромосом представлена отчасти продуктами транскрипции, еще не
покинувшими место синтеза. Некоторым фракциям свойственна регуляторная
функция.
Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или
«разрешении» списывания информации с молекулы ДНК.
Массовые соотношения ДНК: гистоны: негистоновые белки: РНК: липиды —
равны 1:1:(0,2—0,5):(0,1—0,15):(0,01—-0,03). Другие компоненты встречаются в
незначительном количестве.
3.5.2.2. Структурная организация хроматина
Сохраняя преемственность в ряду клеточных поколений, хроматин в
зависимости от периода и фазы клеточного цикла меняет свою организацию. В
интерфазе при световой микроскопии он выявляется в виде глыбок, рассеянных в
нуклеоплазме ядра. При переходе клетки к митозу, особенно в метафазе, хроматин
приобретает вид хорошо различимых отдельных интенсивно окрашенных телец —
хромосом.
Интерфаз
ную и метафазную формы существования хроматина расценивают
как два полярных варианта его структурной организации, связанных в
митотическом цикле взаимопереходами. В пользу такой оценки свидетельствуют
данные электронной микроскопии о том, что в основе как интерфазной, так и
метафазной формы лежит одна и та же элементарная нитчатая структура. В
процессе электронно-микроскопических и физико-химически
х исследований в
составе интерфазного хроматина и метафазных хромосом были выявлены нити
(фибриллы) диаметром 3,0—5,0, 10, 20—30 нм. Полезно вспомнить, что диаметр
двойной спирали ДНК составляет примерно 2 нм, диаметр нитчатой структуры
интерфазного хроматина равен 100—200, а диаметр одной из сестринских хроматид
метафазной хромосомы — 500— 600 нм.
Наиболее распространенной является точка зрения, согласно которой
хроматин (хромосома) представляет собой спирализованную нить. При этом
выделяется несколько уровн
ей спирализации (компак-тизации) хроматина (табл.
3.2).
Таблица 3.2. Последовательные уровни компактизации хроматина
Степень укорочения Фибрилла
по сравнению
с предшествующей
структурой
по сравнению
с молекулой ДНК
Диаметр,
нм
ДНК 1 1 1—2
Нуклесомная нить 7 7 10
126
Элементарная хроматиновая
фибрилла
6 42 20—30
Инте
рф
азная х
р
омонема 40 1600 100—200
Метафазная хроматида 5 8000 500—600
Рис. 3.46. Нуклеосомная организация хроматина.
А — деконденсированная форма хроматина;
Б — электронная микрофотография эукариотического хроматина:
А — молекула ДНК накручена на белковые коры;
Б — хроматин представлен нуклеосомами, соединенными линкерной ДНК
Нуклеосомиая нить. Этот уровень организации хроматина обеспечивается
четырьмя видами нуклеосомных гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Они образуют
напоминающие по форме шайбу белковые те
ла — коры, состоящие из восьми
молекул (по две молекулы каждого вида гистонов) (рис. 3.46).
Молекула ДНК комплектируется с белковыми корами, спирально
накручиваясь на них. При этом в контакте с каждым кором оказывается участок
ДНК, состоящий из 146 пар нуклеотидов (п.н.). Свободные от контакта с белковыми
телами участки ДНК называют св
язующими или линкерными. Они включают от 15
до 100 п.н. (в среднем 60 п.н.) в зависимости от типа клетки.
Отрезок молекулы ДНК длиной около 200 п. н. вместе с белковым кором
составляет нуклеосому. Благодаря такой организации в основе структуры хроматина
лежит нить, представляющая собой цепочку повторяющихся единиц — нуклеосом
(рис. 3.46, Б). В свя
зи с этим геном человека, состоящий из 3 · 10
9
п. н., представлен
127
двойной спиралью ДНК, упакованной в 1,5 · 10
7
нуклеосом.
Вдоль нуклеосомной нити, напоминающей цепочку бус, имеются области
ДНК, свободные от белковых тел. Эти области, расположенные с интервалами в
несколько тысяч пар нуклеотидов, играют важную роль в дальнейшей упаковке
хроматина, так как содержат нуклеотидные последовательности, специфически
узнаваемые различными негистоновыми белками.
В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК
диаметром 2 нм приобретает диаметр 10—11 нм.
Хроматиновая фибрилла. Д
альнейшая компактизация нуклеосомной нити
обеспечивается пистоном HI, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя
соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. В результате образуется
более компактная структура, построенная, возможно, по типу соленоида. Такая
Хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр 20—30
нм (рис. 3.47).
Рис. 3.47. Хроматиновая фибрилла
диаметром 20—30 нм. А — соединение
соседних нуклеосом с помощью
гистона HI; Б — цепочка, образуемая
нуклеосомами разделенными
участками ДНК, свободными от
белковых тел; В — возможная модель
упаковки ДНК в хроматиновой
фибрилле в виде соленоида
Интерфазная хромонема. Следующий уровень структурной организации
генетического материала обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В
128
их образовании, по-видимому, принимают участие негистоновые белки, которые
способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности
вненуклеосомной ДНК, отдаленные друг от друга на расстояние в несколько тысяч
пар нуклеотидов. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель из
расположенных между ними фрагментов хроматиновой фибриллы (рис. 3.48).
Участок ДНК, соответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 п. н.
Возможн
о, каждая петля является функциональной единицей генома. В результате
такой упаковки Хроматиновая фибрилла диаметром 20—30 нм преобразуется в
структуру диаметром 100—200 нм, называемую интерфазной хромонемой.
Отдельные участки интерфазной хромонемы подвергаются дальнейшей
компактизации, образуя структурные блоки, объединяющие соседние петли с
одинаковой организацией (рис. 3.49). Они выявляются в интерфазном ядре в виде
глыбок хроматина. Воз
можно, существование таких структурных блоков
обусловливает картину неравномерного распределения некоторых красителей в
метафазных хромосомах, что используют в цитогенетических исследованиях (см.
разд. 3.5.2.3 и 6.4.3.6).
129
Неодинаковая степень компактизации разных участков интерфазных
хромосом имеет большое функциональное значение. В зависимости от состояния
хроматина выделяют эухроматиновые участки хромосом, отличающиеся меньшей
плотностью упаковки в неделящихся клетках и потенциально транскрибируемые, и
гетерохроматиновые участки, характеризующиеся компактной организацией и
генетической инертностью. В их пределах транскрипции биологической
информации не происходит.
Различают конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин.
Конститутивный гетерохроматин содержится в околоцентромерных и
теломерных участк
ах всех хромосом, а также на протяжении некоторых внутренних
фрагментов отдельных хромосом (рис. 3.50). Он образован только
нетранскрибируемой ДНК. Вероятно, его роль заключается в поддержании общей
структуры ядра, прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном узнавании
гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии
в процессах регуляции их активности.
Рис. 3.49. Структурные блоки в организации хроматина.
А — петельная структура хроматина;
Б — дальнейшая конденсация хроматиновых петель;
В — объединение петель, имеющих сходную структуру, в блоки с образованием
окончательной формы интерфазной хромосомы
130
Рис. 3.50. Конститутивный гетерохроматин в метафазных хромосомах человека
Примером факультативного гетерохроматина служит тельце полового
хроматина, образуемое в норме в клетках организмов гомогаметного пола (у
человека гомогаметным является женский пол) одной из двух Х-хромосом. Гены
этой хромосомы не транскрибируются. Образование факультативного
гетерохроматина за счет генетического материала других хромосом сопровождает
процесс клеточной дифференциров
ки и служит механизмом выключения из
активной функции групп генов, транскрипция которых не требуется в клетках
данной специализации. В связи с этим рисунок хроматина ядер клеток из разных
тканей и органов на гистологических препаратах различается. Примером может
служить гетерохроматизация хроматина в ядрах зрелых эритроцитов птиц.
Перечисленные уровни структурной организации хроматина обнаруживаются
в неделя
щейся клетке, когда хромосомы еще недостаточно компактизованы, чтобы
быть видимыми в световой микроскоп как отдельные структуры. Лишь некоторые
их участки с более высокой плотностью упаковки выявляются в ядрах в виде
хроматиновых глыбок (рис. 3.51).
Рис. 3.51. Гетерохроматин в интерфазном ядре
Компактные участки гетерохроматина сгруппированы около ядрышка и ядерной