Уровни упаковки генетического материала

Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Длина этих фибрилл в диплоидном наборе хромосом человека равна примерно 2 м, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около 150 мкм. Принято считать, что каждая хроматида хромосомы содержит одну непрерывную молекулу ДНК. Упаковка генетического материала достигается путем спирализации (конденсации).

Первый уровень упаковки ДНК – нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой глобулу (октамер), содержащую по две молекулы каждого из четырех гистонов – (Н_2А, Н_2В, Н₂, Н₄), вокруг которой двойная спираль ДНК образует около двух витков и переходит на следующую глобулу. Длина «накрученного» фрагмента ДНК составляет примерно 50 нм (около 200 пар нуклеотидов). Образованная таким способом нуклеосомная нить имеет диаметр 10 – 13 нм. Длина молекула ДНК уменьшается в 5 – 7 раз. Нуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и в начале митоза.

    Второй уровень упаковки – соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, ее нуклеосомы «сшиваются» гистоном Н₁, и образуется спираль диаметром около 25 нм. Один виток спирали содержит 6 – 10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз. Супернуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе как в интерфазных, так и в митотических хромосомах.

    Третий уровень упаковки – хроматидный (петлевой). Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уровень упаковки, который обнаруживается в профазе. Диаметр петель около 50 нм. Нить ДНП укорачивается в 10 – 20 раз.

Четвертый уровень упаковки – уровень метафазной хромосомы. Хроматиды в метафазе способны спирализоваться с образованием эухроматиновых (слабо спирализованных) и гетерохроматиновых (сильно спирализованных) участков; происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 2,3 до 11 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНП в 10000 раз.

«Хромосомы» прокариотических клеток.

Представляют собой кольцевые молекулы ДНК, содержащие около 5 × 10⁶ пар нуклеотидов и образующие комплексы с негистоновыми белками. Используя специальные методы разрушения прокариот можно обнаружить, что их ДНК собрана в «бусины», близкие по величине нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабильны, что указывает на слабое взаимодействие между ДНК и белками. Характер конденсации хромосомы прокариот не вполне выяснен, но в целом она может быть выделена в виде компактной структуры, называемой нуклеоидом. В прокариотических клетках (бактерии) содержатся и кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов, которыми они могут обмениваться с другими бактериями. Эти автономные генетические элементы – плазмиды способны реплицироваться вне зависимости от репликации нуклеоида. Плазмиды содержат гены устойчивости к антибактериальным факторам.

Кольцевые молекулы ДНК содержаться и в эукариотических клетках в самореплицирующихся органоидах (митохондрии, пластиды). Эти молекулы невелики и кодируют небольшое количество белков, необходимых для осуществления автономных функций органоидов. Такая ДНК не связана с гистонами.

 

Первичные функции гена.

Первичными функциями генов являются хранение и передача генетической информации. Передача генетической информации от ДНК к ДНК при репликации ДНК (аутосинтетическая функция при размножении клеток) и от ДНК через и-РНК к белку (гетеросинтетическая функция при биосинтезе белка). Поток генетической информации можно изобразить следующим образом:

 

                      Транкрипция     Трансляция

              ДНК    →    и-РНК   →  белок

Репликация

 

Схема репликации генетической информации

 

Такой путь передачи информации от ДНК к и-РНК и белку Ф. Крик (1958) назвал «центральной догмой молекулярной биологии».

Долгое время считалось, что передача генетической информации в обратном направлении невозможна. В 1975 г. Р. Дульбеко, Г. Тимин и Д. Балтимор описали явление обратной транскрипции, т.е. передачи генетической информации от и-РНК к ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы). Ревертаза была открыта у РНК-содержащих вирусов еще в 1970 г. (Г. Тимин, С. Музатин). Наличие ревертазы в нормальных клетках свидетельствует о возможности передачи информации от РНК к ДНК. Было установлено, что на определенных стадиях эмбриогенеза в клетках амфибий резко возрастает число генов, кодирующих рибосомальную РНК (амплификация генов). При этом происходит увеличение числа копий генов рибосомальной РНК методом обратной транскрипции.

Таким образом, в настоящее время центральная догма молекулярной биологии может быть представлена следующей схемой:

 

                                  Транскрипция     Трансляция

  Репликация ДНК      ↔         и-РНК   →  белок

                                  Обратная

                                  транскрипция

Современная схема центральной догмы молекулярной биологии

Свойства гена.

    Гены характеризуются определенными свойствами: специфичностью (каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком расположения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида), целостностью (при программировании синтеза полипептида ген выступает как неделимая единица) и дискретностью (наличие субъединиц), стабильностью (относительно устойчивы) и лабильностью (способность мутировать), плейотропией (один ген может отвечать за проявление нескольких признаков), экспрессивностью (степень фенотипического проявления) и пенетрантностью (частота проявления гена).