Литература - Другое (книга по генетике)

ликом определяются свойствами ДНК. Присущие этим молекулам

потенциальные возможности практически неограниченного струк-

турного разнообразия определяют все многообразие мира живых

существ, как на уровне межвидовых, так и индивидуальных раз-

личий в пределах одного вида (Баев и др.,1990; Ратнер,1985).

Процесс эволюции и дифференцировки отдельных видов, как

правило, сопровождался накоплением изменений в структуре ге-

нома. Это касается, прежде всего, таких параметров, как ло-

кализация и характер упаковки ДНК в клетках; количество ДНК,

приходящееся на гаплоидный геном; типы, соотношение и функ-

ции кодирующих и некодирующих нуклеотидных последователь-

ностей; регуляция экспрессии генов; межпопуляционная вариа-

бильность и филогенетический консерватизм первичной структу-

ры генома. В пределах одного вида основные параметры генома

достаточно постоянны, а внутривидовое разнообразие обеспечи-

вается за счет мутационной изменчивости, то есть выпадения,

вставки или замены нуклеотидов на сравнительно небольших

участках ДНК. Чаще всего такие изменения касаются не-

экспрессируемых элементов генома (интронов, псевдогенов,

межгенных спэйсерных участков ДНК и т.д.).

Геномы эукариот, по-существу, можно рассматривать как

мультигеномные симбиотческие конструкции, состоящие из обли-

гатных и факультативных элементов (Golubovsky, 1995). Основу

облигатных элементов составляют структурные локусы, коли-

чество и расположение которых в геноме достаточно постоянно.

Присутствие в хромосомах некоторых видов повторяющихся ДНК,

амплифицированных участков, ретровирусных последователь-

ностей, псевдогенов, также как наличие в клетке эписом, рет-

ротранскриптов, ампликонов, дополнительных B-хромосом и раз-

личных цитосимбионтов (вирусов, бактерий, простейших) явля-

ется не строго обязательным, их количество и положение может

значительно варьировать, то есть эти элементы являются фа-

культативными. В то же время участие факультативных элемен-

тов в наследственной передаче признаков, в формировании му-

тационной изменчивости и в эволюционных преобразованиях ви-

дов несомненно доказано. Кроме того, существует непрерывный

переход от одних состояний к другим за счет инсерции

экстрахромосомных ДНК в хромосомы и выстраивания транспозо-

ноподобных мобильных элементов из хромосом. Следовательно,

несмотря на значительные отличия факультативных последова-

тельностей от облигатных по характеру основных информацион-

ных процессов (репликации, транскрипции, трансляции и сегре-

гации), они также должны рассматриваться, как важнейшие эле-

менты генома.

Остановимся теперь более детально на основных принципах

организации генома человека. В каждой диплоидной клетке с 46

хромосомами содержится около 6 пикограмм ДНК, а общая длина

гаплоидного набора из 23 хромосом составляет 3.5 * 10!9 пар

нуклеотидов (Kao, 1985). Этого количества ДНК достаточно для

кодирования нескольких миллионов генов. Однако, по многим

независимым оценкам истиное число структурных генов нахо-

дится в пределах от 50 000 до 100 000. В разделе 2.4 изложе-

ны современные подходы, используемые для подсчета общего ко-

личества генов, из которых следует, что наиболее вероятная

оценка их числа составляет около 80 000. Сопоставляя это

значение со средними размерами гена и соотношением между ве-

личиной их экзонных и интронных областей, можно заклю-

чить,что кодирующие последовательности ДНК занимают не более

10-15% всего генома (McKusick, Ruddle, 1977). Таким образом,

основная часть молекул ДНК не несет информации об амино-

кислотной последовательности белков, составляющих основу лю-

бого живого организма, и не кодирует структуру рибосомаль-

ных, транспортных, ядерных и других типов РНК. Функции этой

"избыточной" (junk) ДНК не ясны, хотя ее структура изучена

достаточно подробно. Предполагается, что эта ДНК может

участвовать в регуляции экспрессии генов и в процессинге

РНК, выполнять структурные функции, повышать точность гомо-

логичного спаривания и рекомбинации, способствовать успешной

репликации ДНК и, возможно, является носителем принципиально

иного генетического кода с неизвестной функцией.

Наиболее общая характеристика генома может быть получена

с помощью анализа кинетики реассоциации молекул ДНК. Динами-

ка плавления геномной ДНК обнаруживает присутствие по край-

ней мере трех различающихся по химической сложности фракций

(Льюин, 1987; Газарян, Тарантул, 1983). Быстро ренатурирую-

щая фракция ДНК состоит из относительно коротких высокопов-

торяющихся последовательностей; в промежуточную фракцию вхо-

дит множество умеренно повторяющихся ДНК - более протяжен-

ных, но представленных меньшим числом копий; медленно рена-

турирующая фракция объединяет в себе уникальные последова-

тельности ДНК, встречающиеся в геноме не более 1-2 раз.

С помощью молекулярного анализа проведена идентификация

основных классов повторяющихся последовательностей ДНК,

составляющих более 35% всего генома человека и включающих

сателлитную ДНК, инвертированные повторы, умеренные и низко-

копийные повторы, а также мини- и микросателлитные последо-

вательности ДНК. Классификация этих типов повторов достаточ-

но условна и основана, главным образом, на двух характе-

ристиках: длине повторяющихся коровых единиц, которая может

варьировать от 1-2 до более, чем 2000 п.о., и числе их ко-

пий, также меняющихся в очень широких пределах - от десятка

до миллиона на гаплоидный геном. Не менее важными характе-

ристиками различных классов повторяющихся ДНК являются нук-

леотидная последовательность "коровых" единиц повтора, спе-

цифичность их организации, хромосомная локализация, внутри-

и межвидовая стабильность, а также возможные функции этих

типов ДНК.

Раздел 2.2. Повторяющиеся последовательности ДНК.

Сателлитная ДНК это класс высокоповторяющихся последо-

вательностей, составляющих около 10% всего генома человека

(Kao, 1985). При центрифугировании геномной ДНК в градиенте

плотности CsCl эти последовательности образуют четыре от-

дельных сателлитных пика с различными средними значениями

плавучей плотности. Методом гибридизации in situ показано

присутствие сателлитной ДНК преимущественно в центромерных,

теломерных и гетерохроматиновых районах большинства хро-

мосом, при этом характер гибридизации сходен для всех четы-

рех групп и не зависит от принадлежности ДНК-зондов к се-

мействам повторов, образующих различные сателлитные пики. В

каждой из этих групп, однако, присутствует небольшое коли-

чество последовательностей, имеющих специфическую хромосом-

ную локализацию. Так например, около 40% длинного плеча Y

хромосомы составляет семейство последовательностей, тандемно

повторяющихся более 3000 раз и не найденных в других хро-

мосомах.

Выделяют три основных типа сателлитной ДНК: (1) короткие

- от 2 до 20 п.о., стабильные тандемные повторы с кратностью

в несколько десятков тысяч раз, которые иногда перемежаются

с неповторяющимися последовательностями; (2) кластеры более

протяженных повторов, слегка различающихся по нуклеотидной

последовательности; (3) сложные, достигающие нескольких со-

тен пар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности раз-

личной степени гомологии (Газарян,Тарантул,1983). К послед-

нему типу относятся альфа-сателлитные или альфоидные ДНК,

среди которых найдено много хромосом-специфических последо-

вательностей. Размеры повтрояющихся "коровых" единиц альфо-

идной ДНК составляют около 170-200 п.о. В геноме человека и

других приматов эти мономеры организованы в кластеры по 20 и

более "коровых" единиц. После расщепления рестриктазой BamHI

в альфоидной ДНК выявляется серия фрагментов, длиной около 2

000 п.о., в составе которых обнаруживаются альфоидные после-

довательности, специфичные для гетерохроматиновых районов

разных хромосом человека (1, 3, 4, 5, 9, 6, 7, 11, 17, 19,

Х). В некоторых случаях эти повторы гомологичны двум разным

хромосомам (9 и 15, 13 и 21, 18 и Х) ( Willard,Waye, 1987).

Хромосом-специфические последовательности сателлитной альфо-

идной ДНК нашли широкое применение в молекулярной цитогене-

тике в качестве ДНК-зондов, удобных для маркирования индиви-

дуальных хромосом в метафазных и интерфазных клетках челове-

ка (Юров, 1987). Предполагается, что сателлитные ДНК играют

важную роль в поддержании структур хромосом и, возможно, в

их спаривании в процессе мейоза (Charlesworth et al., 1994).

Особое место среди сателлитных ДНК занимают микро- и

минисателлитные последовательности, представляющие собой

многочисленную группу рассеянных по всему геному относитель-

но коротких тандемных повторов. Микросателлиты - это класс

динуклеотидных повторов. Размер повторяющихся единиц в ми-

нисателитных последовательностях может меняться от 3 - 4 до

10 - 15 нуклеотидов. Отличительной особенностью микро- и ми-

нисателлитов является наличие среди них большого количества

участков, вариабильных по числу копий в кластере.

Инвертированные или обращенные повторы составляют до 5%

генома. Они состоят из двух тождественных копий длиной около

300 п.о., ориентированных в противоположных направлениях на

одной нити ДНК и лежащих на расстоянии от нуля до десятка

тысяч пар нуклеотидов друг от друга (в среднем - 1,6 кб).

Около 1/3 обращенных повторов не разделены промежуточными

последовательностями и носят название палиндромов. Среднее

расстояние между двумя различными парами инвертированных

повторов около 12 кб, и их распределение по геному носит

случайный характер. Комплементарные пары легко ассоциируют

при отжиге, образуя шпилечные структуры с дуплексной ножкой

и однонитевой петлей, длина которой соответствует расстоянию

между парой обращенных повторов. Вследствие этого оказыва-

ются приблеженными достаточно удаленные друг от друга участ-

ки ДНК, что важно для работы ряда ферментов, обеспечивающих

процессы репликации и транскрипции. Важно отметить и то, что

однонитевой участок ДНК, образующий петлю, становится

доступным для действя нуклеазы S1, специфически разрушающей

однонитевую ДНК.

Группа умеренно повторяющихся последовательностей очень

гетерогенна по длине и числу копий и составляет около 20%

генома человека. Как правило, они распределены дисперсно по

всем хромосомам, причем относительно короткие последователь-

ности ДНК до 500 п.о., так называемые короткие диспергиро-

ванные повторы - Sine, повторяются более 100 000 раз, в

среднем, через каждые 2.2 кб. Число копий более длинных

диспергированных последовательностей - Line, не превышает 10

000. Умеренные повторы найдены во всех структурных компонен-

тах генома за исключением кодирующих областей генов. Два

главных семейства умеренных повторов, Alu и Kpn1, занимают,

по крайней мере, 10% генома и практически столько же занято

несколькими сотнями других семейств повторов этого класса.

Основной единицей Alu семейства является короткая

последовательность из 300 п.о., повторенная в геноме челове-

ка несколько сот тысяч раз, в среднем, через каждые 5 кб или

через каждые 2 - 3 диспергированных повтора, принадлежащих

другим семействам (Kao, 1985; Льюин, 1987). При этом,

кластеры Alu-повторов, как правило, лежат внутри R-дисков

метафазных хромосом - Гимза отрицательных (G- дисков). Расп-

ределение Alu-повторов по геному весьма неравномерно как

между хромосомами, так и по их длине. Так, в хромосомах 14,

16, 21 Alu-последовательности концентрируются в области

центромеры, а в хромосомах 4, 19, 20, Х и У выраженные

кластеры Alu повторов не найдены. Члены Alu семейства не

полностью идентичны друг другу. Однако, все они содержат

сайт рестрикции для фермента AluI и имеют димерную структу-

ру, то есть состоят из двух прямых повторов длиной около 130

п.о. с богатой аденином вставкой из 31 нуклеотида во втором

мономере. Каждая Alu последовательность фланкирована прямыми

повторами длиной от 7 до 20 п.о., различными для разных чле-

нов семейства и имеющими большую степень гомологии с

транспозоноподобными элементами про- и эукариот. Некоторые

члены Alu семейства могут транскрибироваться с помощью фер-

мента РНК-полимеразы 111. Предпологается, что при определен-

ных условиях образующиеся при этом молекулы РНК могут обрат-

но транскрибироваться, что в свою очередь, может привести к

появлению в клетках Alu-содержащих кДНК, обладающих

свойствами ретропазонов, то есть способных инсертироваться в

геномную ДНК. В литературе описаны случаи инсерционного му-

тагенеза Alu повторов, приводящие к гемофилии В и нейрофиб-

роматозу типа 1. Однако, частота таких событий, по-видимому,

невелика. Предполагается, что короткие умеренные повторы,

подобные Alu семейству, участвуют в регуляции транскрипции,

в процессинге РНК и в инициации репликации ДНК. Кроме того,

обнаружена высокая степень гомологии Alu последовательностей

с одним из видов низкомолекулярной РНК (7 S РНК), участвую-

щей в секреции белков.

К числу Line повторов относится Kpn1 семейство, которое

состоит из более длинных и значительно более гетерогенных

последовательностей, рассеянных по всему геному. В ряде слу-

чаев члены Kpn1 семейства группирются в кластеры, образуя

более длинные структуры, повторяющиеся несколько тысяч раз.

Для некоторых членов этого семейства также доказана возмож-

ность инсерции кДНК-овых копий Kpn1- РНК-транскриптов в ге-

номную ДНК и возникновение мутаций. Такое явление было обна-

ружено в одном случае гемофилии А. Некоторые Kpn1- последо-

вательности не только транскрибируются, но и способны

транслироваться (Charlesworth et al.,1994).

Раздел 2.3 Мультигенные семейства, псевдогены, онкоге-

ны.

Многие гены человека повторены в геноме от нескольких

единиц до нескольких сотен раз и образуют мультигенные се-

мейства (Газарян, Тарантул, 1983; Босток, Самнер, 1981; Kao,

1985; Льюин, 1987). Эти гены обычно сгруппированы в кластеры

в определенных районах одной, либо нескольких хромосом. Во

многих мультигенных семействах наряду с функционально актив-

ными генами содержатся псевдогены - мутационно измененные

последовательности, не способные транскрибироваться или про-

дуцирующие функционально неактивный генный продукт. Примера-

ми мультигенных семейств могут служить гены рибосомальных,

транспортных и ядерных РНК, гены альфа- и бета-глобинов, ту-

булинов, миоглобина, актина, интерферона и многих других. В

ряде случаев, возможна избирательная амплификация некоторых

семейств генов в процессе их экспрессии, как, например, ге-

нов рибосомальных РНК. При этом число способных транскриби-

роваться копий генов увеличивается за счет их избирательной

амплификации в сотни и даже тысячи раз, что сопровождается

лавинообразным нарастанием доли соответствующего генопродук-

та в клетках. Особое место среди мультигенных семейств зани-

мают супергены - очень большие кластеры из сотен функцио-

нально и структурно родственных генов, расположенных в сег-

ментах отдельных хромосом. Классическим примером супергена

может служить HLA комплекс, контролируюший главные антигены

гистосовместимости. Он занимает район более 6000 кб на ко-

ротком плече хромосомы 6р21 и состоит из серии тесно сцеп-

ленных генов, ответственных за синтез множества белков,

включающих клеточные поверхностные антигены, молекулы иммун-

ного ответа и некоторые компоненты комплемента. К суперген-

ным семействам относятся три комлекса расположенных на раз-

ных хромосомах мультигенов, контролирующих синтез тяжелых и

легких цепей иммуноглобулинов. Интересно, что в процессе

диффиренцировки B лимфоцитов, продуцирующих иммуноглобулины,

происходит структурная перестройка этих семейств. При этом

отдельные последовательности ДНК элиминируются, тогда как

другие сливаются, так что структура генов иммуноглобулинов в

зрелых B лимфоцитах значительно отличается от исходной, то

есть от той, которая наблюдается в зародышевых клетках.

Одной из важных структурных особенностей генома челове-

ка является наличие так называемых псевдогенов, уникальных

последовательностей, очень сходных по своей структуре с оп-

ределенными нормальными генами, но в силу присутствия в ко-

дирующих последовательностях целого ряда мутаций не способ-

ных транскрибироваться или правильно транслироваться с обра-

зованием структурно и функционально активного продукта.

Псевдогены обнаружены для многих генов. Их количество варь-

ирует от одной до нескольких десятков копий на геном и в

этом случае они, как правило расположены тандемно. Иногда

псевдогены тесно сцеплены с нормальными генами, во многих

случаях псевдогены и гены локализованы в разных хромосомах.

Для некоторых моногенных заболеваний идентифицированы му-

тантные аллели, сходные с мутациями в соответствующих псев-

догенах. В этих случаях обсуждаеся возможная роль псевдоге-

нов в спнтанном мутационном процессе.

В геноме человека присутствуют также нуклеотидные

последовательности, гомологичные генам некоторых вирусов.

Впервые эти последовательности были идентифицированы в гено-

ме вирусов, индуцирующих развитие опухолей у животных и че-

ловека, и потому они были названы онкогенами. Гомологичные

последовательностям в геноме человека носят название прото-

онкогенов. В настоящее время уже идентифицировано более 100

протоонкогенов. Белковые продукты протоонкогенов, по-видимо-

му, играют важную роль в нормальной пролиферации клеток осо-

бенно на ранних стадиях эмбрионального развития, контролируя

клеточный цикл и выбор геномной программы развития клетки.

При возникновении специфических мутаций в протоонкогенах, а

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35