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 нарах хромосом человека од­но плечо сильно короче другого, такие хромосомы носят название акроцентрических (рис. 3.13). Тонкая морфоло­гия хромосом зависит от фазы митоза. Наиболее сильно спирализованы хро­мосомы в мета- и анафазе.

Вместе с морфологией хромосом из­меняется в ходе митозе и морфология центромеры. Наиболее четко центро­мера выражена в виде более тонкого и светлого участка хромосомы к концу профазы. Центромеры выполняют в хромосомах очень важные функции. Они соединяют две сестринские хроматиды, велика также их роль в орга­низации 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-нолимеразы, 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 серии — АГА.

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 — нитронами. 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 набор9 хро­мосом человека содержит 3,5 х 10 нуклеотидных нар, 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 структурные функции. Для человека данные об экзонноинтронном строе­нии генов впервые были получены для гена гемоглобина, а затем и для многих других генов. Это открытие стало воз­можным в конце 70-х гг. благодаря раз­работке метода синтеза комплементар­ных ДНК на матрице м-РНК с помо­щью обратной транскриптазы, а также благодаря освоению целого ряда мето­дов генно-инженерной техники. В них входит разрезание генома с помощью рестриктаз на последовательности, со­ответствующие отдельным генам, вы­деление таких генов, встраивание их в векторные молекулы, внедрение век­торов в клетки бактерий и клонирова­ние там таких рекомбинантных моле­кул, что позволяет получать банки ге­нов.

Процесс транскрипции на ДНК, как на матрице, связан с синтезом компле­ментарной последовательности РНК, включающей и интроны, и экзоны. За­тем в ходе созревания РНК в ядре из нее удаляются интроны, а концы со­седних экзонов сшиваются стык в стык. Процесс удаления последова­тельностей РНК, соответствующих интронам, и соединение участков с транскрибируемыми последователь­ностями экзонов называется сплай­сингом. Кроме того транскрибируемая молекула модифицируется добавлени­ем метилированного Г-нуклеотида на 5'-конце (кэпирование) и поли-А по­следовательности на 3'-конце. Моди­фицированные участки играют важ­ную роль в инициации белкового син­теза, защищают транскрипт т-РНК от деградации. Имеются данные, свиде­тельствующие о том, что поли-А конец участвует в транспорте зрелой м-РНК из ядра в цитоплазму и продлевает ее функционирование там. Весь суммар­ный процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом. Созревшая м-РНК выходит в цитоплазму, при­крепляется к рибосоме, где генетическая информация транслируется в бел­ковую последовательность (рис. 3.15).

Большинство интронных последо­вательностей, по-видимому, не облада­ют специфическими функциями. Од­нако один и тот же транскрипт РНК может подвергаться сплайсингу по-разному, следовательно с одного транскрипта в ходе сплайсинга способ­ны образоваться несколько различных РНК. Такой сплайсинг называется альтернативным. Альтернативный сплайсинг сообщает клетке дополни­тельную генетическую пластичность. Рассмотрим это явление на примере белка фибронектина.

В плазме крови человека присутст­вует белок фибронектин. Он синтези­руется клетками печени и выделяется в кровь. Этот же белок может синтези­роваться клетками соединительной ткани, эндотелиальными клетками, выстилающими кровеносные сосуды, и некоторыми другими типами клеток. В этом случае фибронектин в нерас­творимой форме накапливается в меж­клеточном пространстве. Функции фибронектина многоплановы: он играет роль в поддержании гомеостаза, в процессах тромбоза, миграции и дифференцировки клеток сосудов, в раз­витии атеросклеротических бляшек в сосудах. Известно много вариантов фибронектина, он обладает ткане и возрастной специфичностью. Показа­но, что варианты фибронектина обра­зуются с одного геномного транскрип­та за счет альтернативного сплайсинга

Вариации м-РНК-последовательнос­тей фибронектина связаны с присутст­вием или отсутствием по крайней мере двух интронов.

Известные вариации иммуноглобу­линов также в значительной мере обеспечиваются процессом созрева­ния новосинтезированных гигантских м-РНК в ядре.

В начале каждого гена, до его смыс­ловой части, представленной экзонами, находятся участки, которые обес­печивают регуляцию работы гена. К числу регуляторных участков, одина­ковых для всех генов, относятся ТАТА-последовательности (рис. 3.14), где че­редуются тимин и аденин ("ТАТА-БОКС"). Этот участок лежит на 30 нуклеотидов левее места начала счи­тывания гена. Установлено, что РНК-полимераза, фермент осуществляю­щий транскрипцию, так ложится на ДНК, что ее опознающая часть закры­вает "TATA-БОКС", а ее активный центр оказывается над первым считы­ваемым нуклеотидом. Далее по длине гена следует промоторный участок, ко­торый способствует правильной уста­новке рамки считывания нуклеотидов, поскольку процесс считывания гене­тического кода не допускает возмож­ности перекрывания кодонов

Иногда изменения рамки считывания могут происходить из-за выпадения или до­бавления одного или нескольких нук­леотидов, тогда при последующей сборке белка в нем будет нарушена по­следовательность аминокислот. Такая ситуация получила название мутации со сдвигом рамки (рис. 3.16).

За промоторным участком следует палиндром ("перевертыш"), или ин­вертированный повтор. Этот участок ДНК одинаково читается в обоих на­правлениях и имеет центральную точ­ку, относительно которой последова­тельность остается одинаковой в обеих цепях ДНК. Следовательно, такой уча­сток ДНК имеет две оси симметрии: вдоль и поперек. Важное свойство па­линдромов — возможность образовы­вать шпильки в РНК или структуры креста в ДНК за счет комплементарно­го взаимодействия не между двумя ни­тями ДНК, а между нуклеотидами каждой цепи. В результате этого па­линдром ДНК превращается в крест, что делает невозможным дальнейшее продвижение фермента РНК-полимеразы, и процесс транскрипции прекра­щается, если рамка считывания уста­новлена неверно.

В последнее время описаны специ­фические регуляторы работы некото­рых генов — энхансеры

Они располо­жены впереди гена на расстоянии в сотни и тысячи нуклеотидных нар от него. У эукариот существуют специ­альные регуляторные белки, опознаю­щие энхансер и присоединяющиеся к нему, в результате чего происходит ак­тивация работы гена.

По данным разных авторов, содер­жание ДНК в диплоидной клетке чело­века составляет примерно 7,3 х 10~2г, что соответствует 7,1 х 109 нулеотидных пар. Каждая молекула ДНК гетерогенна но своему составу. В ней встре­чаются участки с уникальной последо­вательностью азотистых оснований, которые несут информацию для боль­шинства белков клетки. В то же время в ней встречаются последовательности нуклеотидов, многократно повторяю­щиеся в геноме в составе этой же или других молекул ДНК. Такие повторяю­щиеся последовательности подразде­ляют на два класса. Первый — умерен­но повторяющиеся последовательнос­ти с числом повторов от 102 до 105 на ге­ном. На их долю приходится примерно четверть ДНК, и они представляют со­бой блоки истинных генов, как, напри­мер, гены гистонов (рис. 3.17). К этому же классу умеренных повторов отно­сятся короткие последовательности, которые не кодируют белки, они раз­бросаны по всему геному, а их длина соответствует примерно 300 н п (нук­леотидных пар). Второй класс — часто повторяющиеся последовательности, или сателлитные ДНК, число повторов которых на геном превышает миллион (1х106) раз. Это нетранскрибирующиеся участки ДНК, на которых не идет образование РНК.

В работах разных авторов показано, что лишь немногим более 50% ДНК ге­нома человека представлено уникаль­ными фрагментами длиной около 2000 н.п., и далеко не все из них представля­ют структурные гены. В основном они распределены в составе длинных моле­кул ДНК между короткими, умеренно повторяющимися последовательнос­тями, длина которых не превышает 300 н.п. Многие из таких умеренных повторов имеют сходное строение. Ве­роятно, они выполняют структурные и регуляторные функции в составе ге­нов. Умеренные повторы, представля­ющие гены, встречаются в каждой клетке человека, где есть ядро. Они со­держат гены, необходимые всем клет­кам в каждой фазе индивидуального развития. Это гены рибосомной РНК, гистонов и транспортной РНК.

Гены рибосомной РНК являются ча­стью района ядрышкового организатора на хромосомах. Они кодируют рибосомные РНК, которые синтезируют­ся в ядрышке

В ядрышке происходит процессинг рибосомных РНК: из од­ной гигантской новосинтезированной молекулы образуются три разные мо­лекулы рибосомных РНК меньшего размера, а избыточные последователь­ности удаляются. Зрелые рибосомные РНК участвуют в сборке субъединиц рибосом. Таким образом, ядрышко — это место в ядре, где функционируют рибосомные гены, оно содержит сово­купность всех рибосомных РНК, нахо­дящихся на разных стадиях процессинга, здесь происходит процесс фор­мирования субъединиц рибосом. У че­ловека район ядрышкового организа­тора расположен в коротких плечах акроцентрических хромосом: 13-й, 14-й, 15-й, 21-й и 22-й (рис. 3.18). В фор­мировании ядрышка могут принимать участие сразу несколько хромосом. Среднее число копий рибосомных ге­нов в клетках человека по данным раз­ных авторов 416-443 на диплоидный геном.

К классу умеренно повторяющихся последовательностей у человека мож­но отнести семейство многочисленных генов вариабельных участков имму­ноглобулинов, играющих ключевую роль в иммунитете. Умеренные повто­ры обнаружены во всех хромосомах человека, где они локализованы по всей длине плеч

Часто повторяющиеся последова­тельности занимают примерно десятую часть генома. Участки ДНК с та­кими повторами выявлены в опреде­ленных местах хромосом: это около-центромерные и теломсрные районы. На дифференцированно окрашенных хромосомах они выявляются в виде гетерохроматина. Причем это гетерохро­матин конститутивный — в нем не происходит транскрипция. Более того, конститутивный гетерохроматин мо­жет влиять на близко расположенные гены, подавляя их активность.

Частые повторы обычно не бывают длинными. Так, теломерные районы хромосом человека, ограничивающие хромосомы с двух концов, содержат 250-1500 повторов ТТАГГ. Эти повто­ры играют очень важную роль: пре­дотвращают слипание хромосом кон­цами и их укорачивание при много­кратных репликациях ДНК в связи с клеточными делениями. Часто повто­ряющиеся последовательности ДНК иначе называют сателлитной ДНК. Сателлитная ДНК не всегда имеет ха­рактер видового признака, как это вид­но на повторах теломерных районов. Однако у человека выделены и охарак­теризованы индивидуальные сателлитные ДНК, расположенные в раз­ных хромосомах. Так, известны не­сколько типов сателлитной ДНК из Y-хромосомы и 1-й, 9-й и 16-й хромо­сом

Функции сателлитной ДНК во многом остаются неизвестными. Пред­полагается, например, что сателлитная ДНК участвует в распознавании гомо­логичных хромосом во время конъюации в мейозе, рассматривается также возможность регуляторного участия сателлитной ДНК в функционирова­нии генов.

Пришедшие в генетику новые мето­ды позволили расширить знания о структуре генетического материала. По современным данным, он оказался намного менее статичен, чем представ­лялось раньше. Так, например, извест­ны описанные Барбарой Мак-Клинток мобильные контролирующие генети­ческие элементы в геноме кукурузы, способные перемещаться с одного гена на другой, увеличивая их нестабиль­ность. Соматическими мутациями, связанными с присутствием мобиль­ных контролирующих элементов, обусловлена мозаичная окраска почат­ков у кукурузы. Найдены мобильные генетические элементы и у дрожжей. Позже было выявлено несколько клас­сов мобильных генетических элемен­тов у бактерий и показано, что они мо­гут встраиваться во многие участки ге­нома клетки хозяина. В зависимости от структуры мобильного генетического элемента внедрение бывает строго специфичным или случайным

Уста­новлено, что при внедрении мобильно­го элемента встраивается не он сам, а его копия, в то время как исходный элемент остается на своем месте. Встраивание мобильного элемента в структурный ген приводит к мутации. Кроме того, перемещение мобильных элементов может стимулировать хро­мосомные аберрации. Для выявлен­ных у дрозофилы мобильных генети­ческих элементов показано, что они могут образовываться из рассеянных по геному генных элементов, из повто­ряющихся последовательностей кон­ститутивного гетерохроматина прицентромерных районов хромосом, а также иметь вирусную природу. Все мобильные элементы обладают неко­торыми общими чертами структурной организации — в частности инвертиро­ванными повторами на концах. Их репликация независима. Кроме того, они способны вызывать мутации с вы­сокой частотой, причем мутации не­стабильные, часто ревертирующие к исходному состоянию. Существуют предположения, что перенос генов мо­бильными элементами является одним из факторов эволюции. Например, по­следовательности ДНК, гомологичные глобиновому гену человека, были об­наружены у бобовых растений. Функ­ция такой структуры может заклю­чаться в обеспечении кислородом клу­беньковых бактерий. А наличие такого гена в растениях может быть объясне­но переносом его от насекомых или млекопитающих. Следует, однако, за­метить, что у человека подобные эле­менты в геноме еще не выявлены. Тем не менее в геноме человека обнаруже­ны повторяющиеся последовательнос­ти, содержащие палиндромы с инвер­тированными повторами, которые по

аналогии напоминают мобильные эле­менты. Первым этапом в транспози­ции некоторой последовательности ДНК должно быть образование внехромосомных кольцевых копий этого участка. Подобные кольцевые струк­туры обнаружены в стареющих фибробластах в клеточных культурах че­ловека. Кроме того для генома челове­ка описано явление конверсии глобиновых генов, когда один аллель моди­фицируется другим, в результате чего гетерозигота становится гомозиготой.

Новые данные углубляют понима­ние структурной организации генети­ческого материала и механизмов его работы. Однако по-прежнему верным остается постулат о стабильности ге­нетического аппарата, на котором ос­нованы все закономерности наследо­вания признаков. Благодаря стабиль­ности генома, существует наследствен­ность, обеспечивающая преемствен­ность фенотипических признаков из поколения в поколение.