Геном эукариот. Последовательности нуклеотидов эукариотического генома. Структура эукариотических генов. Мобильные генетические элементы эукариот

В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть - в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. Так же, как и у прокариот, информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. ДНК-белковые комплексы эукариот получили названиехроматина. На протяжении клеточного цикла хроматин претерпевает высокоупорядоченные структурные преобразования в виде последовательных конденсаций-деконденсаций. В соматических клетках при максимальной конденсации в метафазе митоза эти преобразования сопровождаются формированием метафазных хромосом. Морфология и число метафазных хромосом являются уникальными характеристиками вида.

Совокупность внешних признаков хромосомного набора эукариот получила название кариотипа. Эти признаки используются в систематике.

Содержание ДНК у эукариот в расчете на одну клетку в среднем на два-три порядка выше, чем у прокариот, и у разных видов животных изменяется от 168 пг (амфибии) до 1 пг (некоторые виды рыб). У человека имеется около 6 пг ДНК на диплоидный геном, суммарная длина которой приближается к 6*109 п.о. Повышенное содержание ДНК в геноме эукариот нельзя объяснить одним лишь увеличением потребности этих организмов в дополнительной генетической информации в связи с усложнением организации, поскольку большая часть их геномной ДНК, как правило, представлена некодирующими последовательностями нуклеотидов. Размер генома организмов, находящихся на более низких ступенях эволюционного развития, зачастую превышает размеры геномов более высокоорганизованных животных и растений. Известно, что большая часть ДНК генома эукариот не кодирует РНК и белки, и ее генетические функции не вполне понятны.

обильные элементы эукариот

Мобильные генетические элементы эукариот. Вездесущность транспозирующихся элементов может рассматриваться либо как доказательство их важности для эукариот и прокариот, либо как указание на то, что они одинаково успешно размножаются в составе геномов любого типа. Вместе с плазмидами, способными переносить генетическую информацию между бактериями, транспозоны прокариот обеспечивают подвижность генов хозяина (с успехом компенсируя отсутствие истинного полового процесса). В некоторых случаях механизмы, подобные транспозициям, вовлекаются в регуляцию генов. У эукариот, с другой стороны, уже известны отдельные случаи, когда перемещение последовательностей из сайта или в специфические сайты играет роль в регуляции генов. В их геномах найдены также элементы, сравнимые с бактериальными транспозонами, способные перемещаться в случайно выбираемые места генома.

Мобильные элементы, наиболее близкие по своим свойствам к бактериальным транспозонам, были обнаружены у S. cerevisiae и D. melanogaster. Они имеют небольшой размер, содержат концевые повторы и найдены в различных участках геномов. Очевидно, что в состав этих элементов входят гены, продукты которых необходимы для транспозиции; включены ли в них гены, кодирующие второстепенные функции, не связанные с транспозиционным событием, не известно.

Каждый из этих элементов аналогичен бактериальным транспозонам, которые представляют собой последовательности, способные перемещаться в пределах хозяйского генома. Транспозоны про- и эукариот, по-видимому, не могут существовать вне генома.

Функции, связанные с осуществлением транспозиции у эукариот, пока не установлены; нам еще предстоит идентифицировать продукты эукариотических генов, участвующих в этом процессе.

Явление транспозиции было описано много лет назад Мак-Клинток, проводившей генетические исследования на кукурузе. До совсем недавнего открытия этого эффекта у бактерий полученные ею результаты оставались «в вакууме», однако сейчас события, связанные с транспозицией, могут быть изучены на молекулярном уровне и у эукариот. На кукурузе получена значительная информация о генетических взаимодействиях между членами семейства транспозонов, об эффектах их внедрения в определенные локусы и различных результатах транспозиционного события.

В составе геномов животных мобильные элементы еще не найдены, но обнаружены следы транспозиционных событий в форме прямых повторов мишени, фланкирующих диспергированные повторяющиеся последовательности. Механизмы, подобные транспозиции, по-видимому, используются ретровирусами, чтобы внедрять ДНК-копии своего РНК-генома в хромосомы клеток хозяина. Эти случаи обсуждаются вместе с другими примерами вариабельности эукариотической ДНК в гл. 38. Молекулярные механизмы транспозиции в клетках эукариот еще не изучены так тщательно, как у бактерий; в частности, еще не идентифицировали продукты генов эукариотического транспозона. Однако присутствие коротких прямых повторов ДНК мишени позволяет предполагать использование сходного механизма, при котором такая «генерализованная» транспозиция выбирает случайные сайты для внедрения. Нам бы хотелось знать, какова взаимосвязь между транспозирующимися элементами различных видов и могут ли функции транспозиции сохраняться при перемещении элемента из одних видов в другие.

Другой тип событий представляют «направленные» транспозиции, при которых перемещение последовательностей из одного специфического сайта в другой имеет регуляторный эффект. У бактерий существует очевидная взаимосвязь между механизмами сайтспецифической инверсии и транспозиции. У эукариот направленное перемещение ДНК может осуществляться с помощью иных механизмов. Например, у дрожжей наблюдается однонаправленный перенос копий генов, определяющих тип скрещиваемости, из «молчащих» локусов в «активные». Этот процесс напоминает бактериальную транспозицию, когда донорный локус остается интактным, а реципиентный изменяется; однако у дрожжей существует только один реципиентный локус, который сам инициирует перенос, вместо того чтобы остаться «пассивной» мишенью. Иная ситуация имеет место в случае иммуноглобулиновых генов. Здесь в результате рекомбинации меняется содержание генома, создаются активные гены в соответствующих соматических клетках (гл. 39). Диапазон изменений в геноме, таким образом, простирается от случайных транспозиций к тканеспецифичным перестройкам.