Молекулярна структура на еукариотния генетичен материал Количествени характеристики на еукариотния геном
Основната количествена характеристика на еукариотния генетичен материал е наличието на излишък от ДНК. Този факт лесно се разкрива при анализ на съотношението между броя на гените и количеството ДНК в генома на бактериите и бозайниците. Ако средният размер на бактериален ген е 1500 базови двойки (bp), а дължината на кръговата ДНК молекула на хромозомата на Е. coli и B. subtilis е около 1,1 μm, тогава такава хромозома може да побере около 3000 гена. Приблизително този брой гени е експериментално определен в бактериите от броя на типовете иРНК. Ако този брой се умножи по средния размер на гена, тогава се оказва, че около 95% от бактериалния геном се състои от кодиращи (генни) последователности. Останалите 5% изглежда са заети от регулаторни елементи. Различна картина се наблюдава при еукариотните организми. Например, човек има приблизително 5x10 4 гена (което означава само общата дължина на кодиращите ДНК области - екзони). В същото време размерът на човешкия геном е 3x10 9 bp. Това означава, че кодиращата част от неговия геном е само 15-20% от общата ДНК. Има значителен брой видове с геном, десетки пъти по-голям от човешкия геном, например някои риби, опашати земноводни, лилии. Прекомерната ДНК е често срещана при всички еукариоти. В тази връзка е необходимо да се подчертае двусмислието на термините генотип и геном. Под под генотип трябва да се разбира набор от гени, които имат фенотипна проява, докато понятието геном обозначава количеството ДНК, което е в хаплоидния набор от хромозоми на даден вид.
Нуклеотидни последователности в еукариотния геном
В края на 60-те години трудовете на американските учени Р. Бритън, Е. Дейвидсън и други откриват фундаментална характеристика на молекулярната структура на еукариотния геном - нуклеотидни последователности с различна степен на повторяемост. Това откритие е направено с помощта на молекулярно-биологичен метод за изследване на кинетиката на денатурирана ДНК ренатурация. В еукариотния геном има следните фракции:
Уникален, т.е. последователности, представени в едно копие.
Междинни или средночестотни повторения - последователности, повтарящи се десетки или стотици пъти.
Високочестотни повторения, броят на които достига 10 6 (на геном).
Повторенията образуват така наречените семейства, които се разбират като набор от последователности, които са напълно или предимно хомологични помежду си.
Често поради значителни разлики в нуклеотидния състав на високочестотни повторения и останалата част от ДНК, първата форма, по време на центрофугиране в градиент на плътността на цезиев хлорид, така наречените сателитни пикове, които имат по-висока или по-ниска плаваща плътност отколкото останалата част от ДНК. Тази част от генома е представена от малък (10-15) брой семейства с кратки (5-12 bp) повторения, които образуват разширени блокове. В рамките на блоковете групи от повторения на отделни семейства могат да се редуват помежду си, така че сателитната ДНК да има някаква локусна структура. Хибридизацията на фракции на високочестотни последователности с ДНК директно върху хромозомни препарати направи възможно да се установи, че тази фракция на генома е локализирана в области на конститутивен хетерохроматин, най-често перицентромерен или теломерен. Още през 30-те години беше показано, че генетично тези области са инертни, т.е. не съдържат гени. В действителност такива малки последователности, които изграждат сателитна ДНК, не могат да кодират нищо друго освен олигопептиди. Освен това хетерохроматичните региони не се транскрибират. По този начин, в случай на високочестотни ДНК последователности, се установява идентичността на молекулярната организация и генетичните свойства на хромозомната ДНК на еукариотите. Трябва да се отбележи, че тази фракция в по-голямата част от видовете заема не повече от 10% от генома. Близкородните видове, например мишката и плъхът, имат различни високочестотни последователности; при плъховете техният нуклеотиден състав не се различава от основната ДНК, докато геномът на мишката съдържа ясен AT-богат сателит. Това означава, че високочестотната ДНК е способна на бързи промени по време на видообразуването.