Трансформация у эукариот

У эукариот трансформация в природе до сих пор не обнаружена. Что же касается экспериментальной передачи ДНК из одной клетки в другую, то на протяжении многих лет опыты не приводили к положительным результатам. В конце 1970-х - начале 1980-х годов многие исследовательские группы азартно конкурировали друг с другом, пытаясь первыми осуществить перенос ДНК. Успехи были весьма редкими: молекулы ДНК, инъецированные микрохирургически в ранние эмбрионы некоторых видов млекопитающих, амфибий, морских ежей, иногда встраивались в хромосомы клетки-хозяина. У дрозофилы искусственно введенная ДНК почти не включалась в хромосомы эмбриона, хотя в культуре клеток типичная трансформация происходит довольно часто. Однако очевидно, что из такой клетки невозможно получить организм и трансформированная ДНК не может передаваться потомству.

^ 70. Первичная и вторичная структура ДНК

Под первичной структурой ДНК (как и любой другой нуклеиновой кислоты) понимают последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидных цепях.

^ Вторичная структура, согласно модели Уотсона и Крика, предложенной в 1953 г., – это двойная спираль ДНК, состоящая из двух правозакрученных вокруг общей оси полинуклеотидных цепей. Уотсон и Крик предположили, что две полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК не связаны ковалентно, а соединяются водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, направленными внутрь двойной спирали. Реакции взаимодействия G с C и A с T получили название спаривания оснований, а основания, способные образовывать пары, получили название комплементарных.

Согласно модели двойной спирали две полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК – антипараллельны, т.е. идут в противоположных направлениях. Поэтому, рассматривая спираль вдоль оси, можно видеть, что одна цепь идет в направлении 5^/3®^/, а другая – в направлении 3^/® 5^/

Вдоль спирали основания уложены стопками друг на друга, и стабилизация спиральной структуры дополнительно обеспечивается межплоскостными взаимодействиями между ароматическими кольцами соседних оснований. Эти специфические контакты получили название стэкинг-взаимодействий, которые являются результатом реализации вандерваальсовых сил -облаков над и под двойными связями ненасыщенных колец пуринов и пиримидинов, с одной стороны, иp, возникающих за счет перекрывания гидрофобных взаимодействий – с другой.

. Две цепи, образующие двойную спираль, уложены таким способом, что наблюдаемая структура характеризуется наличием°. Таким образом, 10 пар оснований составляют один полный оборот спирали в 360°Две соседние пары оснований в молекуле ДНК, расположенные вдоль оси спирали, образуют угол в 36 малой бороздки, шириной 12Å (1, 2 нм), и большой бороздки, шириной 22Å (2, 2 нм). Двойная спираль правосторонняя: если смотреть вдоль оси спирали – повороты следуют по часовой стрелке. Данное описание соответствует модели ДНК, известной как B-форма.

ДНК может формировать несколько типов двойных спиралей. В настоящее время описано, по крайней мере, шесть форм (от А до Е и Z-форма). Большая часть структурных вариантов ДНК может существовать только в строго контролируемых условиях. Эти варианты различаются: 1) числом пар оснований, приходящихся на один виток двойной спирали; 2) расстоянием между плоскостями пар оснований и углом, который они образуют с осью спирали; 3) диаметром спирали; 4) направленностью (правая, левая) двойной спирали.

При физиологических условиях (низкая концентрация соли, высокая степень гидратации) доминирующим структурным типом ДНК является В-форма (правоспирализованная). Шаг спирали такой молекулы равен 34 Å (3, 4 нм). На один виток ДНК приходится 10 пар оснований, удерживаемых водородными связями и стэкинг-взаимодействиями.

^ А-форма отличается от В-формы. Поэтому расстояние между парами оснований по вертикали уменьшается до 2, 9 Å (0, 29 нм), а число пар на виток увеличивается до 11–12. А‑ форма интересна еще и тем, что ее конформация близка к структуре гибридов ДНК-РНК и структуре двухспиральных РНК.°тем, что плоскости оснований составляют с перпендикуляром к оси спирали угол, равный 20

Z-форма представляет собой наиболее резкий контраст с классическими формами ДНК. Особенностью В- и А-форм ДНК является то, что сахарофосфатные остовы обеих цепей этих ДНК образуют правую спираль. При определенных условиях отдельные участки ДНК принимают форму левой спирали. В этом случае расстояние между соседними парами оснований увеличивается до 7, 7 Å (0, 77 нм), а число пар на один виток возрастает до 12. Свое название Z-форма получила из-за зигзагообразной (zigzag) линии, которую образует сахарофосфатный остов вдоль спирали.

Двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК, за крайне редким исключением, обладают уникальными топологическими харак­те­рис­тиками. Кольцевые молекулы имеют в структуре.
71. Третичная структура ДНК.

Третичная структура ДНК. В клетках ДНК образует суперспирали, что обеспечивает компактность ее упаковки. ДНК длиной до 4 см располагается в хромосоме размером до 5 нм. Длина ДНК уменьшается в 100 тысяч раз. Третичная структура ДНК эукариот формируется путем взаимодействия с ядерными белками и на определенном этапе клеточного цикла приобретает форму хромосом.

^ Четвертичная структура ДНК

Формируется при взаимодействии ДНК с белками-гистонами

1. 
   Денатурация, ренатурация и гибридизация нуклеиновых кислот

Вторичная структура DNA стабилизируется лишь слабыми водородными и гидрофобными связями, следовательно, DNA способна к денатурации (разрыв водородных связей) при повышении температуры до 80—90^о и ренатурации при последующем охлаждении. При денатурации двухспиральная молекула DNA разделяется на отдельные цепи. Температура, при которой 50% DNA денатурировано, называется температурой плавления и зависит от качественного состава DNA. Так как пары G—C стабилизированы тремя водородными связями, а пары А—Т только двумя, то чем выше доля G—C пар, тем стабильнее молекула. При денатурации DNA поглощение света при длине волны 260 нм повышается (гиперхромный эффект), что позволяет легко контролировать состояние вторичной структуры DNA. Если раствор денатурированной DNA медленно охлаждать (отжиг), то вновь возникают слабые связи между комплементарными цепями и может получиться спиральная структура, идентичная исходной (нативной). На способности DNA к денатурации и ренатурации основан метод молекулярной гибридизации, который применяют для изучения строения нуклеиновых кислот. Препараты DNA, выделенные из особей, принадлежащих к разным видам, образуют несовершенные гибриды. Спиральная структура получается не по всей длине молекулы. В неспирализированных участках полинуклеотидные цепи не комплементарны друг другу. Следовательно, DNA особей неидентична. Гибридизация: Нуклеиновые кислоты гидролизуются под действием нуклеаз —DNAазы и RNAазы. Гидролиз может быть внеклеточным или внутриклеточным (специфическое функциональное расщепление).

1. 
   Три фракции ДНК эукариот, их локализация в хромосомах и функции.

Различают следующие фракции в геноме эукариот.

1. Уникальные, т.е. последовательности, представ­ленные в одном экземпляре или немногими копиями. Как правило, это цистроны – структурные гены, кодирующие белки.

2. Низкочастотные повторы – последовательности, повторяющиеся десятки раз.

3. Промежуточные, или среднечастотные, повторы – последовательности, повторяющиеся сотни и тысячи раз. К ним относятся гены рРНК (у человека 200 на гаплоидный набор, у мыши – 100, у кошки – 1000, у рыб и цветковых растений – тысячи), тРНК, гены рибосомных белков и белков-гистонов.

4. Высокочастотные повторы, число которых достигает 10 миллионов (на геном). ДНК мышей на 70% состоит из уникальных последовательностей, на 20% – из низкочастотных и среднечастотных повторов, на 10% – из высокочастотных.

Повторы образуют так называемые семейства, под которыми понимают совокупность последовательностей, полностью или по большей части гомологичных друг другу.

Нередко из-за существенных различий в нуклеотидном составе высокочастотных повторов и остальной ДНК пер­вые образуют при центрифугировании в градиенте плот­ности хлористого цезия так называемые сателлитные пики, которые имеют большую или меньшую плавучую плотность, чем остальная ДНК. Эта фракция генома пред­ставлена небольшим (10…15) числом семейств коротких (5…12 п.н.) повторов, образующих протяженные блоки. Внутри блоков группы повторов отдельных семейств могут чередоваться друг с другом, так что сателлитная ДНК имеет как бы лоскутную структуру. Гибридизация фракций высокочастотных последовательностей с ДНК непосред­ственно на препаратах хромосом позволила установить, что эта фракция генома локализована в районах конститутивного гетерохроматина, чаще всего прицентромерного или теломерного. Еще в 30-х годах было показано, что в генетическом отношении эти районы инертны, т. е. не содержат генов. В действительности столь малые после­довательности, составляющие сателлитную ДНК, не могут кодировать ничего, кроме олигопептидов. Более того, гетерохроматические районы не транскрибируются. Таким образом, в случае высокочастотных последовательностей ДНК обнаруживается тождество молекулярной организации и генетических свойств хромосомной ДНК эукариот. Следует отметить, что эта фракция у огромного большинства видов занимает не более 10% генома. Близкие виды, например мышь и крыса, имеют совершенно различ­ные высокочастотные последовательности, у крысы их нуклеотидный состав не отличается от основной ДНК, тогда как геном мыши содержит четкий АТ-богатый сател­лит. Это означает, что высокочастотная ДНК способна к быстрым изменениям в ходе видообразования.

Остальные 90 % генома эукариот, его эухроматическая часть, построены по принципу чередования (интерсперсии) уникальных и повторяющихся последовательностей. Условно выделяют два основных типа интерсперсии, полу­чивших названия по тем видам, у которых они впервые были описаны: интерсперсия типа «ксенопус» (обнару­жена у шпорцевой лягушки Xenopus laevis) и типа «дрозофила» (впервые описана у плодовой мушки D. melanogaster). Примерно в 50 % генома Xenopus laevis уникальные последовательности из 800…1200 п.н. чередуются с повторяющимися, средний размер которых 300 п.н. В остальной части геномов типа «ксенопус» расстояния между соседними повторами значительно превышают 1…2 п.н. Структура генома типа «ксенопус» широко распространена, особенно среди жи­вотных. Млекопитающие и человек также относятся к этому типу организации генома. Особенность генома человека и других приматов составляют интерсперсные высокоча­стотные повторы длиной около 300 п.н. У человека эти повторы содержат сайт, разрезаемый ферментом рестрик­ции Alu I. Число Alu-подобных повторов в геноме человека достигает 5× 10⁵, а по некоторым данным, даже 10⁶.

Alu-подобные последовательности приматов представ­ляют собой частичные дупликации (удвоения) последо­вательности В1 в геноме грызунов, впервые описанной Г. П. Георгиевым и его сотрудниками.

У D. melanogaster параметры интерсперсии резко от­личаются от видов с типом генома «ксенопус»: повторяю­щиеся последовательности длиной 5600 п.н. чередуются с уникальными, длина которых не менее 13000 п.н.

Интересно отметить, что у домашней мухи геном устроен по типу «ксенопус». Этот факт прямо указывает на то, что в ходе эволюции возможны очень быстрые преобразования характера чередования последовательностей и в эухроматической части генома. Птицы по параметрам интерс­персии занимают промежуточное положение между типом «ксенопус» и типом «дрозофила». Как показывают резуль­таты исследований последних лет, многие виды животных и растений по организации генома не могут быть строго отнесены ни к тому, ни к другому типу. Так, в геномах мле­копитающих встречаются длинные повторы – в несколько тысяч пар нуклеотидов, в геномах лилейных до 90% ДНК может быть представлено повторяющимися последова­тельностями. Например, геном гороха не содержит уни­кальных последовательностей, превышающих по длине 300 п.н.

1. 
   Молекулярная организация хромосом.

Нуклеосомиая нить. Этот уровень организации хроматина обеспечивается четырьмя видами нуклеосомных гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Они образуют напоминающие по форме шайбу белковые тела — 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 связующими 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 связи с этим геном человека, состоящий из 3 · 109 п. н., представлен двойной спиралью ДНК, упакованной в 1, 5 · 107 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. Дальнейшая 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)Интерфазная хромонема. Следующий уровень структурной организации генетического материала обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В 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. Возможно, 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. Возможно, 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).Метафазная хромосома. Вступление клетки из интерфазы в митоз сопровождается суперкомпактизацией хроматина. Отдельные хромосомы становятся хорошо различимы. Этот процесс начинается в профазе, достигая своего максимального выражения в метафазе митоза и анафазе (см. разд. 2.4.2). В телофазе митоза происходит декомпак-тизация вещества хромосом, которое приобретает структуру интерфазного хроматина. Описанная митотическая суперкомпактизация облегчает распределение хромосом к полюсам митотического веретена в анафазе митоза.

1. 
   Постулаты матричной теории Крика. Д

Д войная спираль, структурная модель (гипотеза) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), согласно которой молекула ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих правильную правозакрученную перевитую спираль и удерживаемых вместе водородными связями за счёт взаимодействия пар азотистых оснований. Предложена в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком. «Чтобы придти к этому правильному решению, потребовалось найти такую конфигурацию, которая была бы стереохимически наиболее выгодной и в то же время не противоречила бы данным рентгеноструктурного анализа» (Дж. Уотсон). Создание модели было подготовлено работами М. Уилкинса и Р.Франклин (получивших в 1950—52 высококачественные рентгенограммы ДНК), Л. Полинга (создавшего в 1951 теорию, позволявшую предсказывать вид рентгенограмм для различных спиральных структур), А. Тодда и его сотрудников (выяснивших в 1952 природу химических связей между нуклеотидами, из которых построена ДНК), Э. Чаргаффа (установившего в 1947—50 соотношение азотистых оснований в ДНК). Модель Уотсона—Крика позволила предсказать возможный механизм полуконсервативной матричной редупликации ДНК, общий принцип кодирования и транскрипции генетической информации, некоторые молекулярные механизмы мутационного процесса. Позднее в многочисленных исследованиях основные положения и следствия из модели Уотсона—Крика получили экспериментальное подтверждение. Уточнения коснулись более точного описания геометрических параметров и конформационных возможностей двойной спирали при различных условиях. В связи с обнаружением значительной конформационной подвижности структуры ДНК не раз поднимался вопрос о степени соответствия модели Уотсона—Крика структуре нативной ДНК. Предлагались другие гипотетические модели ДНК, например, неперевитая зигзагообразная модель ДНК, имеющая на границах поворотов-зигзагов право- и левозакрученные участки полинуклеотидных цепей. Существование левозакрученной, то есть Z-ДНК, на отдельных участках генома подтверждено экспериментально в работах А. Рича. Тем не менее, нет оснований сомневаться в том, что модель Уотсона—Крика в основных чертах правильно описывает структуру ДНК не только in vitro, но и in vivo. Создание модели Уотсона—Крика послужило мощным толчком к развитию молекулярной биологии, начало которой нередко датируют 1953 годом.

1. 
   Генетический код и его параметры. Универсальность кода. Кодон.

1. 
   Генетический код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.В ДНК используется четыре азотистых основания — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв. Белки практически всех живых организмов построены из аминокислотвсего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединённых в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) итрансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам. Свойства: 1. Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).
2. 
   Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
3. 
   Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).
4. 
   Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у ^ Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)^[1]
5. 
   ^ Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
6. 
   Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).
7. 
   Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

Кодон - (кодирующий тринуклеотид) — единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК или РНК, обычно кодирующих включение одной аминокислоты. Последовательность кодонов в гене определяет последовательность аминокислот вполипептидной цепи белка, кодируемого этим геном.

1. 
   Экспериментальные доказательства триплетности кода.

Ф. Криком с сотрудниками были получены прямые экспериментальные До­казательства триплетности кода при изучении мутации r II фа-га Т4, поражающего кишечную палочку.

Обозначим сочетание из трех пар нуклеотидов как abc, Да-лее допустим, что такие триплеты повторяются последовательно в отрезке молекулы ДНК:

abc abc abc abc...

Представим себе, что произошла мутация, например, истая-ка И лишнего нуклеотида а (указано стрелкой), тогда весь после-дающий порядок считывания («текста») триплетов нарушится,

¹ Изображение одних объектов посредством других называют в кибернеесли код считывается слева направо, т. е. всегда в одном на­правлении, тройками:

\ abcaabcabcabc^abc aab cab cab...

Допустим, что после этого где-то недалеко вправо от первона­чальной мутации возникла новая мутация, заключающаяся в выпадении одного какого-нибудь основания, например с (ука­зано стрелкой):

t!

abcaabcab abt: -> - abc aab cab

abc

В данном случае нарушение «текста» имеет место только на участке между двумя мутациями (указано стрелками), на всем остальном протяжении сохраняется прежний порядок считыва­ния. Если данная часть гена, в которую входит несколько изме­ненных триплетов, выполняет какую-нибудь не очень ответст­венную функцию, то можно представить, что нарушение кода на каком-то небольшом участке не скажется заметным образом на конечном результате. Особи, несущие два таких изменения, бу­дут иметь фенотип, приближающийся к дикому типу, что и было показано экспериментально.

Если код действительно является триплетным, то комбинации двух вставок оснований (или двух выпадений), в отличие от предыдущего случая, должны всегда давать мутантный фе­нотип. Это также подтверждено экспериментально. Если у фага Т₄ дикого типа последовательность нуклетидов (2-я строчка) и определяемых ими аминокислот (1-я строчка) такая:

Лиз	Сер	Про	Сер	Лей	Асп	Ала
АЛА	АГУ	ЦЦА	УЦА	ЦУУ	ААУ '	ГЦУ,

то при вставке двух нуклеотидов Г и У (отмечено скобкой) получится следующая последовательность:

В соответствии с этим изменится и аминокислотный состав бел­ка (нижняя строчка), что и было зарегистрировано как мутация.Итак, результаты скрещивания во всех случаях соответство­вали заранее предсказанным, что и явилось подтверждением гипотезы о триплетности кода.