grad-green grad-gray grad-blue grad-red grad-pink grad-purple grad-yellow
Нести помощь людям

Вход на сайт

Вы здесь

Главная » Физиология » Молекулярная биология » Лекционный курс по Молекулярной биологии

Структура генома

Лекция 17. Структура генома
 
Определение
Геном - вся совокупность молекул ДНК клетки (в случае ряда вирусов говорят о геномной РНК).
Существует ядерный геном, митохондриальный геном и геном пластид. Мы будем рассматривать только ядерный геном. Соматические клетки содержат диплоидный (2n) геном, половые - гаплоидный (n).
 
Размер генома
Объект
Размер гаплоидного генома в парах нуклеотидов
Микоплазмы
104-106
Эубактерии (E.coli)
105-107
Грибы
(2-5)х107
Водоросли
(5-7)х107
Черви
~108
Моллюски
5х108-5х109
Насекомые
108-5х109
Ракообразные
~ 109
Иглокожие
2х108-2х109
Рыбы
3х108-1010
Амфибии
7х108-7х1010
Рептилии
(2-3)х109
Птицы
109
Млекопитающие
3х109
Цветковые растения
2х108-1011
Прямой корреляции между количеством ДНК и эволюционной продвинутостью организма нет.
Так, например, у малярийного плазмодия 0.06 пг ДНК в ядре, а у амебы 490 пг. Большое количество ДНК не обязательно приносит качественно новую информацию. Амеба пошла на увеличение количества ДНК для увеличения размеров ядра и самой клетки. Генов у нее меньше, чем у плазмодия, но они копированы много раз. У малярийного плазмодия генов больше, чем у амебы, а ДНК меньше для максимальной компактности. Малые размеры ядра и самого одноклеточного организма позволяют ему быть внутриклеточным паразитом.
У африканской двоякодышащей рыбы ДНК в 15 раз, а у амебы в 70 раз больше, чем у человека.
 
"Избыточность" эукариотического генома
На ~ 106 пар нуклеотидов у бактерий приходится ~5 тыс. генов. На ~109 пар нуклеотидов у млекопитающих ~50 тыс. генов.
Минусы "избыточной" ДНК:
- увеличение времени синтеза ДНК;
- cложнее организовывать удвоение ДНК;
- высокая энергоемкость - на 1 нуклеотид для включения в цепь ДНК нужно затратить ~60 молекул АТФ.
Неопределенное следствие:
- благодаря зависимости размера ядра от количества ДНК происходит увеличение размеров клетки.
Плюсы "избыточной" ДНК:
- возникает возможность создания сложного регуляторного аппарата, позволяющего поднять организм на более высокий эволюционный уровень.
Причины избыточности:
1. Большой размер генов (за счет наличия интронов).
2. Присутствие повторенных последовательностей. Повторяются и гены, и некодирующие участки. У эукариот некоторые последовательности повторены сотни и тысячи раз.
3.          Наличие большого числа некодирующих последовательностей, часть из которых выполняет регуляторную функцию при транскрипции, а часть - необходима для компактизации генома.
4.           
Компактность генома эукариот
Компактность - другое принципиальное отличие генома эукариот от прокариотического генома.
При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК прокариот.
Выделяют, по крайней мере, 4 уровня компактизации ДНК. При этом нить ДНК "укорачивается" в 10000 раз.
Это все равно, что нить, длиной с Останкинскую башню (500 м), уложить в спичечный коробок (5см).
Два первых уровня компактизации эукариотического генома обеспечиваются гистонами.
 
Гистоны - основные белки. Все они обогащены лизином и аргинином - положительно заряженными аминокислотами. Выделяют 5 фракций гистонов.
Нарабатывается их очень много - 60 млн. молекул каждой фракции на клетку.
Фракция
Лизин
Аргинин
лиз./арг
осн.АК/кис.АК
Мол. вес (Да)
Н1 (очень богатая лизином)
29%
1%
>20
5.4
23000
Н2В (умернно богатая лизином)
16%
6%
~2.5
1.7
13774
Н2А (умеренно богатая лизином и аргинином)
11%
9%
~1
1.4
13960
Н4 (богатая аргинином и глицином)
11%
14%
~0.8
2.5
11282
Н3 (очень богатая аргинином); в ней есть цистеин, а в других - нет
10%
13%
~0.7
1.8
15348
Все гистоны, кроме Н1, черезвычайно консервативны в эволюционном отношении (у коровы и клевера разница в Н2А всего в одну аминокислоту!).
Следовательно, эти белки выполняют принципиальную функцию, которая у всех эукариот обеспечивается одинаково.
Любая мутация в гистоновых генах летальна.
Н1 - очень вариабельная фракция. Этот гистон различен не только у видов, но даже у одного организма, в зависимости от стадий онтогенеза.
В гистонах лизин и аргинин кластированы. Средняя часть гистона содержит гидрофобные аминокислоты.
Положительно заряженные аминокислоты гистонов обеспечивают электростатические взаимодействия с ДНК.
Центральная часть необходима для взаимодействия гистонов между собой.
 
1. Нуклеосомный.
 В основе нуклеосомы лежит гистоновый октамер.
Расположение гистонов не случайно. Каждая молекула представлена дважды. Они образуют кор (серцевину) нуклеосомы. На кор наматывается ДНК - 1.75 левых витка спирали.
Определение: нуклеосомой называется повторяющийся структурный элемент хроматина, содержащий гистоновый октамер и ~180 п.н. ДНК.
 
 Непосредственно с октамером контактирует 145 п.н. и 20-30-40 п.н. между нуклеосомными корами.
Нуклеосомный уровень упаковки свойственен всей эукариотической ДНК, он дает укорочение в 7 раз. Диаметр увеличивается с 20 Å до 110 Å. Гистоновые октамеры "скользят" по ДНК.
При репликации снимается и этот уровень компактизации. При транскрипции нуклеосомы сохраняются.
2. Супербидный, или соленоидный.
Фактически обеспечивается Н1 гистоном.
 
Н1 взаимодействует с октамерами, сближает их, и еще на него наматывется ДНК. Образуется супербид. Происходит сокращение линейного размера ДНК в 6-10 раз. Диаметр увеличивается до 300Å.
Этот уровень компактизации, как и первый, не зависит от первичной структуры ДНК.
3. Петлевой уровень. Обеспечивается негистоновыми белками.
Они узнают определенные последовательности ДНК и связываются с ними и друг другом, образуя петли по 20-80 тыс. п.н.
Петля обеспечивает экспрессию гена, т.е петля является не только структурным, но и функциональным образованием.
Есть участки, в которых нет петель.Укорочение за счет петель проходит в 20-30 раз. Образуются и петлевые домены. Диаметр увеличивается до 700Å.
4. Метафазная хромосома.
 Метафазная хромосома уже удвоена. Она состоит из двух хроматид. Каждая из них содержит одну молекулу ДНК. Сюда входят белки ядерной ламины, серия белковых нитей, сопряженных с ядерной оболочкой и пронизывающих все ядро.
Модификации гистонов очень сильно влияют на компактизацию ДНК.
Гистоны могут метилироваться, фосфорилироваться (по серину, треонину, тирозину), т.е. аминокислотные остатки легко модифицируются. Кроме того, возможно алкилирование и ацетилирование гистонов.
Геном высших эукариот А-Т типа (пары А-Т преобладают), низших эукариот - Г-Ц типа. У человека соотношение (Г+Ц)/(А+Т) = 0.45. У разных типов бактерий диапазон соотношения А-Т пар и Г-Ц пар велик.
Чем больше в геноме А-Т пар, тем больше возможностей для изменения вторичной структуры ДНК. При суперспирализации ДНК А-Т богатые участки плавятся в первую очередь.
Источники: Дымшиц Г.М. Молекулярная биология: http://www.medliter.ru/?page=get&id=012131
Поделиться с друзьями:
Ваша оценка: 
3.11111
Средняя: 3.1 (9 проголосовавших)