Организация на генома на еукариотите
Организация на еукариотния геном
Еукариоти. Еукариотен геном.
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 над 1 mm, тогава около 3 хиляди гена могат да бъдат разположени в такъв хромозома. 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 при хората има приблизително 50 хиляди гена (което означава само общата дължина на кодиращите ДНК области - екзони). В същото време размерът на човешкия геном е 3 × 10 9 (три милиарда) 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. Генотипът трябва да се разбира като набор от гени, които имат фенотипна проява, докато понятието геном обозначава количеството ДНК 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. Разграничете следните фракции в еукариотния геном.
1. Уникален, т.е. последователности, представени в едно копие или няколко копия. По правило това са цистрони - структурни гени, кодиращи протеини.
2. Повторения с ниска честота - последователности, които се повтарят десетки пъти.
3. Междинни или средночестотни повторения - последователности, повтарящи се стотици и хиляди пъти. Те включват rRNA гени (при хора 200 на хаплоиден набор, при мишки - 100, при котки - 1000, при риби и цъфтящи растения - хиляди), tRNA, гени на рибозомни протеини и хистонови протеини.
4. Високочестотни повторения, чийто брой достига 10 милиона (на геном). Те са кратки (
10 bp) некодиращи последователности, които са част от перицентромерен хетерохроматин.
Хетерогенност на еукариотната ДНК по нуклеотиден състав
При еукариотите са описани някои характеристики на структурата на ДНК, поради спецификата на нуклеотидния състав на отделни последователности. И така, има нуклеотидни блокове, разположени в една и съща верига, състоящи се от няколко десетки пурини. Тогава допълнителната част в друга ДНК верига ще бъде представена от пиримидини. Такива последователности се наричат полипуринови (полипиримидинови) блокове.
Друг тип хетерогенност е свързан с неравномерното съдържание на двойки аденин - тимин (AT - двойки) и гуанин - цитозин (GC - двойки) по дължината на ДНК. По този начин в генома на дрозофила периодично се срещат последователности с дължина около 100 bp, 85%, състоящи се от AT двойки. Тъй като аденинът е свързан с тимин чрез две водородни връзки, а гуанинът с цитозин чрез три, дестабилизиращите ДНК ефекти по-лесно ще инициират разплитане на ДНК дуплекси с образуването на места на частична денатурация в богатите на АТ региони. Следователно последните се считат за места за иницииране на елементарни генетични процеси: репликация, транскрипция и рекомбинация.
В заключение отбелязваме, че гореспоменатите характеристики на молекулярната структура на еукариотната ДНК не са били предсказани нито от класическата генетика (с изключение, може би, от свойствата на хетерохроматина), нито от модела на двойна спирала на Уотсън и Крик. Те са открити при изучаване на структурата на геномите на различни еукариотни организми чрез физикохимични методи. Функциите на повечето повтарящи се и уникални последователности все още не са дефинирани. Съвсем вероятно е обаче самата молекулярна структура на еукариотната ДНК да служи като огледало на генетичната регулация и еволюцията на висшите животни и растения.
Хроматин и хромозомно уплътняване
Основата на еукариотния генетичен апарат са линейните хромозоми. Хромозомата се основава на линейна двуверижна дясна ДНК молекула, свързана със специфични протеини, хистони. Има 5 вида хистони: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. В ядрата на еритроцитите на птиците H1 е частично заместен с H5. В дрождите липсва H1, а при някои видове хламидомонади хистоните изобщо не се срещат. Липсват и хистони в мезокариотите (едноклетъчни организми - динофлагелати, нощни цветя), в сперматозоидите на някои риби. Липсата на хистони в тези случаи се счита за вторично явление. Хистоните Н2 - Н4 са еволюционно стабилни: от 102 Н4 аминокиселини разликите се наблюдават само в 1-2 аминокиселини при висшите растения, рибите и бозайниците. Хистонът Н1 е много променлив и дори в тъканите на един организъм има 3 - 6 варианта на този протеин.