WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 11 |

Считают, что около 10% из высокочастотных повторов способны к быстрым изменениям в ходе видообразования. Исследователь С. Оно полагает, что избыточная ДНК есть тот самый сырой материал, который используют эукариоты для построения новых генов и новых генетических регуляторных систем. Ведь для того чтобы создать новый ген, нельзя разрушить какой-либо из старых (функционирующих) генов, т.к. это повлечет за собой летальный исход для организма, либо резко понизит его жизнеспособность. Именно в районах сатДНК наиболее часто происходят различные структурные перестройки хромосом. Также считают, что преобладание бессмысленных отрезков ДНК может служить пассивной защитой от опасных вирусов, поскольку вероятность попадания разрушающей вирусной информации в смысловую часть резко уменьшается. По мнению Л.И. Патрушева (предложившего гипотезу “альтруистической” ДНК), именно избыточные последовательности ДНК оказывают стабилизирующее влияние на генетическую информацию, заключенную в геноме многоклеточных организмов. Они разбавляют кодирующие последовательности некодирующими таким образом, что последние выступают в роли ловушек мутагенов любого вида. Избыточные последовательности ведут себя вполне “альтруистично”, принимая удар мутагенов на себя и специфически защищая жизненно важные участки ДНК от мутаций.

Разновидностями сатДНК являются микросателлиты (МКС) и минисателлиты (МНС). Минимальная повторяющаяся единица (КОР) микросателлитов включает от 1 до 10 пар нуклеотидов, минисателлитов – 15 –пн. Они повсеместно встречаются не только в ядерном геноме эукариот (с частотой 104-105 на геном), но и в цитоплазматической ДНК (хпДНК и мтДНК). Количество «коровых единиц» в определенных типах МКС и МНС варьирует, обеспечивая основууровня естественного полиморфизма их длины в геноме человека, животных и растений. Это обусловлено повышенной частотой мутаций в этих районах по сравнению с другими районами генома. Сайты локализации микро- и минисателлитов по длине хромосом называют локусами варьирующего числа тандемных повторов (VNTR-локусы). Число и распределение в геноме таких повторов специфичны для каждого организма. Высокий полиморфизм МКС и МНС, их обилие и повсеместное распространение в геноме сделало их перспективными для использования в качестве молекулярных маркеров для картирования генома, решения вопросов эволюции, коммерческой сертификации и др. Их используют при генной дактилоскопии в качестве «генных отпечатков пальцев» или фингерпринтов для идентификации личности или установления степени родства. Функциональное значение МКС и МНС еще недостаточно изучено. Обсуждается их роль в регуляции транскрипции соседних генов. Определена функция коротких многократно повторяющихся гексануклеотидных теломерных последовательностей (TTAGGG)n. Они ограничивают линейную хромосомус концов, защищают концы хромосом от деградации (предотвращают их укорачивание в процессе многократной репликации) и слияния. В подавляющем большинстве случаев высокоповторяющаяся ДНК является “молчащей” (не кодирующей).

5. Особое место среди генов занимают мобильные генетические элементы (МГЭ) или так называемые «прыгающие гены», то есть нуклеотидные последовательности, способные менять свое положение в геноме, перемещаясь внутри хромосомы или между хромосомами.

Первыми описанными МГЭ была система активации-диссоциации (Ac- Ds), которую установила американский генетик Б. Мак-Клинток в 1947 г. в связи с изучением пятнистости зерен у кукурузы и изучением у нее разрывов хромосом. Мак-Клинток обнаружила, что разрывы хромосом происходят предпочтительно в локусе Ds (диссоциаторе), который сам по себе не вызывает разрывов. Разрывы в этом локусе происходят только в присутствии в геноме Ac (активатора). Внедрение Ds в непосредственной близости или внутрь гена С, контролирующего окраску алейрона, приводило к инактивации гена С, поэтому гетерозиготные семена оказывались неокрашенными (С/с/с-эндосперм 3n). В присутствии Ac Ds начинал перемещаться и, если он покидал локус гена С, семена вновь приобретали окраску. Как было позже выяснено, элемент Ac содержит ген транспозазы (кодирующий фермент, необходимый для перемещения) и способен к самостоятельным перемещениям, а элемент Ds перемещается только в присутствии элемента Ac. Ds возник в результате делеций внутренних участков Ac - элемента.

К настоящемувремени мобильные элементы обнаружены у бактерий, вирусов, грибов, растений, животных и человека. Способность к перемещению (транспозиции) закодирована в нуклеотидных последовательностях самих МГЭ. Белки -ферменты транспозиции (транспозазы и ревертазы) обеспечивают встраивание (интеграцию) МГЭ в различные места (сайты, ДНК-мишень) хромосом и внехромосомных молекул ДНК, а также их выход (“вырезание”) из этих сайтов.

У прокариот существует два типа мобильных элементов – ISэлементы (от англ. insertion sequences – вставочные последовательности) и транспозоны (Tn). IS-элементы содержат только минимальное число генов, необходимое для их перемещения в новый участок хромосомы. На концах (на флангах) IS-элементов находятся инвертированные повторы - сходные короткие нуклеотидные последовательности (20-40 пн), расположенные в обратном порядке (рисунок 4). Считают, что концевые повторы (фланки рующие последовательности) играют важную роль в процессах перемещения транспозируемых элементов. Перемещение осуществляется ферментами транспозазами за счет их взаимодействия с концевыми инвертированными повторами. Хотя бы частичное делетирование последних лишает МГЭ способности к транспозиции. Транспозоны устроены значительно сложнее и содержат кроме концевых повторов и генов, кодирующих перемещение, гены устойчивости к антибиотикам, ионам тяжелых металлов, ингибиторам, токсинам и др.

IS-элемент ACAGTTCAG CTGAACTGT 5 TGTCAAGTC GACTTGACA 3 Ген (или гены ), кодирующий Левый конце- транспозазу – белок, необхо- Правый концевой инвертиро- димый для перемещения вой инвертированный повтор ванный повтор Рисунок 4. Схема строения IS-элемента E.coli Известно 2 механизма транспозиции МГЭ прокариот: репликативный и нерепликативный. При репликативной транспозиции происходит репликация (удвоение) генетического элемента, одна копия которого остается в исходном сайте, тогда как другая перемещается в новый сайт-мишень (т.е.

встраивается копия). При таком способе транспозиции происходит размножение МГЭ, увеличение их числа в геноме. При нерепликативной транспозиции в реципиентную ДНК встраивается сам МГЭ.

В 70х годах ХХ века и позже у дрозофилы, млекопитающих и человека были обнаружены МГЭ, различающиеся по механизмуперемещения по геному Некоторые из эукариотических МГЭ перемещаются в виде РНК.

(как ретровирусы), а другие в виде ДНК (как бактериальные транспозоны).

В соответствие с этим эукариотические МГЭ подразделяют на 2 большие группы – ретротранспозоны (элементы класса I) и классические транспозоны (элементы класса II).

Мобильные элементы класса I – ретротранспозоны (ретропозоны) используют для своего перемещения механизм обратной транскрипции при участии фермента ревертазы (обратной транскриптазы). Т.е на РНКматрице мобильного элемента с помощью фермента ревертазы синтезируется ДНК-копия (вначале синтезируется одна нить ДНК, а затем комплементарная ей вторая- кДНК). После чего матрица РНК распадается и удаляется, а двунитевая ДНК (кДНК), синтезированная в цитоплазме, перемещается в ядро и встраивается в геном, образуя провирус. К ним относятся, например, мобильные диспергированные гены (МДГ) = copiaподобные элементы у дрозофилы (группа мигрирующих элементов близких по строению нуклеотидных последовательностей), Ty-элементы дрожжей, МГЭ семейства Alu у млекопитающих, в т.ч. у человека. Ретротранспозоны составляют около 2% генома удрозофилы и более 40% у некоторых растений. Около 3% генома человека приходится на долю Aluповторов. Отмечено увеличение частоты транспозиции и экспрессии МГЭ в условиях экологического стресса, при воздействии различных мутагенных факторов.

Элементы класса II перемещаются в геноме как ДНК-овые элементы при участии транспозазы и называются транспозонами. Перемещение транспозонов из одного локуса в другой может происходить как путем репликативного, так и нерепликативного механизма. Одним из множества мобильных элементов у дрозофилы является P-фактор в геноме самца (они присутствуют в каждой хромосоме). При скрещивании такого самца (Pсамца) с самкой (М-самкой, у которой P-фактор отсутствует) наблюдается гибридный дисгенез, а при реципрокном (обратном) скрещивании нет.

Дисгенез выражается в появлении у потомства серии генетических дефектов: мутаций, хромосомных аберраций, нарушений расхождения хромосом в мейозе и стерильности. P-фактор активизируется в зиготе под действием М-цитоплазмы, унаследованной по материнской линии. В М-цитотипе Рэлементы хромосом самца начинают перемещаться. ДНК P-элемента выделена и изучена. Он имеет длину 2907 пн и ограничен терминальными повторами размером 31 пн. Функционально это один ген, кодирующий белок транспозазу. С его помощью происходит транспозиция P-элемента по принципу“вырезание-встраивание”.

Наличие мобильных элементов в геноме может иметь разнообразные генетические последствия:

1) перемещение и внедрение мобильного элемента в ген (в его структурную или регуляторную зону) может привести к его инактивации, изменению характера экспрессии, возникновению мутаций; Около 80% спонтанных мутаций, изученных в разных локусах дрозофилы, вызвано инсерциями МГЭ.

2) изменить состояние активности близлежащих генов; МГЭ способны инактивировать или усиливать экспрессию генов, “включать” и “выключать” соседние с ним гены, поскольку у них есть промоторы, терминаторы и энхансеры транскрипции. Например, если ретротранспозон с длинными концевыми повторами (LTR), выполняющими функцию промоторов, оказался около протоонкогена (регулирующего нормальное поведение клетки, например темп и “расписание” ее деления), то результатом может быть сверхпродукция белка и злокачественное перерождение клетки ;

3) привести к образованию хромосомных перестроек: делеции, дупликации или инверсии; два родственных транспозона, находящиеся на одной хромосоме, могут переносить фрагмент ДНК, который заключен между ними, в другую область той же хромосомы или вообще в другую хромосому;

4) участвовать (наряду с плазмидами и вирусами) в горизонтальном переносе генов (т.е. передаче генов между одновременно существующими организмами, а не от родителей потомству– вертикальный перенос). При транспозиции МГЭ могутпереносить в ДНК-мишень различные гены, например, устойчивости к антибиотикам, лекарственным препаратам и ядам от одной бактерии к другой. Горизонтальный перенос генов создает серьезные проблемы для эпидемиологов. Один из ретротранспозонов дрозофилы (gypsy-цыган, относящийся к copia-подобным элементам), как оказалось, является настоящим ретровирусом: путем инъекции или скармливания вирусных частиц удается заразить мух, не несущих эти ретротранспозоны.

МГЭ отводится исключительно большая роль как факторов изменчивости в процессах эволюции геномов. Согласно Р.Б. Хесину (1984), транспозоны являются агентами, осуществляющими связь между геномами всех организмов. Так, широкое распространение транспозона mariner среди филогенетически отдаленных групп насекомых может свидетельствовать о повторных переходах данного элемента от вида к виду.

1.3. Матричная активность генов Фундаментальными свойствами гена является способность к репликации, транскрипции и трансляции. Эти свойства генов осуществляются на матричной основе и обеспечивают воспроизведение и сохранение генетического материала из поколения в поколение, размножение и развитие живых организмов. Как уже отмечалось, принцип матричной активности гена был сформулирован еще в 20-е Н.К. Кольцовым, который впервые предположил молекулярную природу гена, допустив ошибку только в том, что он полагал, что генами являются молекулы белка.

Открытие двойной спирали ДНК – символ установления матричного принципа в биологии. Матричные процессы (репликация, транскрипция, трансляция) имеют общие характеристики : происходят в три этапа – инициации, элонгации и терминации и сопровождаются коррекцией, или репарацией. Все они осуществляются полиферментными комплексами.

1.3.1. Репликация Одним из фундаментальных свойств ДНК, обеспечивающих передачу наследственной информации от клетки к клетке в процессе деления, от родителей потомкам является репликация или удвоение ДНК. Именно репликацией нуклеиновых кислот была обеспечена сама возможность возникновения и поддержания жизни на Земле и непрерывность живой материи в ряду поколений.

Было установлено существование специфической “репликационной машины” или взаимосвязанных молекулярных механизмов, обеспечивающих практически безошибочную репликацию двойной спирали ДНК. Как отмечает Р. Докинз – американский ученый, автор книги “Эгоистичный ген” (1993), представление о молекулах ДНК как о потенциально вечных репликаторах породило парадоксальную идею о том, что живые организмы – лишь “машины для выживания”, запрограммированные на сохранение эгоистических молекул, известных под названием генов. Для репликации ДНК требуется участие множества белков. Эти белки, как и все другие, закодированы в последовательности ДНК. Таким образом, возникает важнейшая для жизни “петля обратной связи”. ДНК направляет синтез белков, которые синтезируют (реплицируют) ДНК.

1.3.1.1. Полуконсервативный способ репликации ДНК Предположение о том, что репликация ДНК осуществляется по полуконсервативному типу (т.е. новая молекула представлена одной роди тельской и одной вновь синтезированной цепями) было высказано еще Уотсоном и Криком – авторами пространственной модели структуры ДНК в 1953 г. Первые доказательства полуконсервативной репликации были получены в 1957г. в опытах М. Мезельсона и Ф. Сталя.

Для мечения вновь синтезируемых молекул ДНК была использована утяжеляющая метка – изотоп азота N. Для этого авторы выращивали бактерии E. coli в течение нескольких делений на минимальной среде с единственным источником азота 15NH4Cl (хлорид аммония). Вся ДНК становилась равномерно помеченной N и имела более высокую плотность, чем ДНК с 14N. Образцы с тяжелой и легкой ДНК легко разделялись при центрифугировании в градиенте плотности хлорида цезия (CsCl), образуя в УФ длиной волны 260 нм 2 зоны поглощения. Если бактерии, выращенные на среде с 15N, переносили в среду с N и давали поделиться лишь один раз, то экстрагированная из них ДНК давала только одну зону поглощения в УФ - промежуточную. Это исключало консервативный механизм репликации, при котором новые молекулы не содержат материала родительской ДНК.

Если бактериям давали делиться на обычной среде (с 14N) дважды, то появлялся пик легкой ДНК и сохранялся пик промежуточной, не исчезающий при последующих делениях.

Процесс репликации ДНК у про- и эукариот различается тем, что хромосома бактерий представляет собой один репликон. Репликон – автономная единица репликации, в пределах которой она начинается и заканчивается. Хромосома же эукариот полирепликонна и содержит сотни репликонов. В геноме дрожжей их около 500, дрозофилы – 3500, человека – 37000. В результате огромные молекулы ДНК в хромосомах эукариот успевают полностью реплицироваться за время одного клеточного цикла.

Кроме того, репликация ДНК у эукариот осуществляется на определенной стадии клеточного цикла - в интерфазе, в S-период подготовки клеток к делению. В каждом репликоне присутствуют необходимые для репликации контролирующие элементы: точка инициации – ориджин = origin (ori) и точка окончания terminalis. Участок хромосомы, в котором цепи роди тельской двухцепочечной ДНК расходятся, чтобы могла произойти репликация, называется репликационной вилкой.

1.3.1.2. Способы репликации ДНК у прокариот Репликация ДНК у бактерий осуществляется по типу “катящегося кольца” ( -тип) (рисунок 5). Так же реплицируются кольцевые ДНК фагов, вирусов, митохондрий, плазмид.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 11 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.