Структура ДНК: центромеры, теломеры

Обновлено: 02.05.2024

Видео: Разница между центромерой и теломерой | Сравните разницу между похожими терминами

Содержание:

Ключевое отличие - Центромера против Теломер

Хромосомы - это нитевидные структуры нуклеиновых кислот и белков, которые несут генетическую информацию организма. Хромосомы расположены в ядре эукариотических организмов, а у прокариот они находятся в цитоплазме. Генетическая информация скрыта внутри хромосом в виде генов. Гены - это особые молекулы ДНК, которые транскрибируются и преобразуются в белки, необходимые для всех функций организма. Хромосома состоит из разных участков ДНК и белковых молекул. Центромера и теломера - это две специфические области, которые очень важны для функционирования хромосом. Эти две области состоят из одинаковых последовательностей ДНК. Но они отличаются от нескольких других функций. Центромера - это область хромосомы, которая является центром, который определяет образование кинетохор и сцепление сестринских хроматид. Теломеры - это концевые области хромосом, которые важны для защиты концов хромосом от разрывов и предотвращения слияния хромосом друг с другом. В ключевое отличие между центромерой и теломерой находится каждая область. Центрера расположена в центре хромосомы, а телемора - на концах хромосом.

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое Центромера
3. Что такое теломер
4. Сходство между центромерой и теломерой
5. Сравнение бок о бок - Центромера против теломер в табличной форме
6. Резюме

Что такое Центромера?

Центромера - это область хромосомы, которая состоит из специализированной последовательности ДНК и белковых комплексов. Он расположен в основном в центре хромосомы. Это очень важная область, поскольку она определяет образование кинетохор. Кинетохора - это комплекс белков, связанных с центромерой. Это необходимо во время деления клеток. Микротрубочки волокон веретена прикрепляются к кинетохоре, и это помогает разделить сестринские хроматиды во время деления клеток. Белки кинетохоры помогают центромере удерживать сестринские хроматиды вместе в хромосомах.

Центромера - это особая область, которая связывает сестринские хроматиды хромосом. В зависимости от положения центромеры хромосомы делятся на четыре основных типа. Это метацентрические, субметацентрические, акроцентрические и телецентрические хромосомы. Центромера расположена точно в среднем положении хромосомы метацентрического типа. Следовательно, два плеча метацентрической хромосомы имеют равную длину и представляют собой Х-образные хромосомы. В субметацентрических хромосомах центромера расположена очень близко к середине, но не точно в центре. Следовательно, два плеча субметацентрических хромосом не равны, но очень близки по длине и представляют собой L-образные хромосомы. Акроцентрические хромосомы имеют очень короткое плечо p, которое трудно наблюдать. В телецентрических хромосомах центромера расположена в конце хромосомы. Они показывают форму, похожую на букву «i» в анафазе.

Что такое теломеры?

Теломеры - это крайние концы хромосом эукариот. Они состоят из повторяющихся последовательностей ДНК и множества белковых компонентов. Теломеры могут иметь от сотен до тысяч повторяющихся последовательностей. Они действуют как защитные колпачки на концах хромосом. Теломеры предотвращают потерю последовательностей пар оснований в результате ферментативной деградации на концах хромосом. Кроме того, теломеры предотвращают слияние хромосом друг с другом и поддерживают стабильность хромосом.

ДНК на самых концах хромосом не может быть полностью скопирована в каждый момент репликации. Это может привести к укорочению хромосом при переходе в следующее поколение. Однако расположение теломер на концах хромосом способствует полной репликации линейной ДНК. Белки, связанные с концами теломер, также важны для защиты хромосом и предотвращения запуска ими путей репарации ДНК.

Нуклеотидная последовательность области теломер отличается у разных видов. Он состоит из некодирующих тандемно повторяющихся последовательностей. Длина теломер также варьируется у разных видов, разных клеток, разных хромосом и в зависимости от возраста клеток. У человека и других позвоночных единицей повторяющейся последовательности в теломерах обычно является TTAGGG.

В чем сходство между центромерой и теломерой?

И центромера, и теломера являются участками хромосом.
И центромеры, и области теломер состоят из последовательностей ДНК и белков.
И центромеры, и области теломер важны для общего функционирования хромосом.

В чем разница между центромерой и теломерой?

Центромера против теломер

Резюме - Centromere против Теломер

Центромера и теломера - две области хромосомы. Центромера состоит из специализированной последовательности ДНК и является местом образования кинетохор. Кинетохора важна для прикрепления волокон веретена во время деления клетки и помогает центромере удерживать сестринские хроматиды хромосом. Теломеры расположены на крайних концах хромосом. Они состоят из повторяющихся последовательностей. Они действуют как защитные колпачки на концах хромосом. Теломеры предотвращают потерю пар оснований с концов хромосом и обеспечивают полную репликацию линейной ДНК. В этом разница между центромерой и теломерой.

Структура ДНК: центромеры, теломеры

Это предположение подтверждается и проявлением центромерной активности за пределами нормальных центромер. Такие неоцентромеры ведут себя как обычные центромеры: образуют цитологически различимую перетяжку и формируют кинетохор, связывающий белки. Однако анализ ДНК двух неоцентромер человека и обычной центромеры общих последовательностей не выявил, что говорит о возможной роли других структурных компонентов хромосомы. Ими могут быть гистоновые и негистоновые белки, которые связываются с ДНК, формируя нуклеосомную структуру хроматина.

Функциональную роль центромерной структуры хроматина подтверждает присутствие специфических для каждого биологического вида варианта гистона Н3 в центромерном хроматине: у человека они названы CENP-A, у растений - CENH3. Среди множества имеющихся в кинетохоре белков только два, СЕNН3 и центромерный белок С (СЕNР-С), непосредственно связываются с ДНК. Возможно, именно CENH3, взаимодействуя с другими гистонами (Н2А, Н2В и Н4), формирует и определяет специфический для центромер тип нуклеосом. Такие нуклеосомы могут служить своего рода якорями для образования кинетохора. Варианты гистона Н3 в центромерах различных видов подобны канонической молекуле гистона Н3 в участках взаимодействия с другими гистоновыми белками (Н2А, Н2В, Н4). Однако участок центромерного гистона Н3, взаимодействующий с молекулой ДНК, видимо, находится под действием движущего отбора. Как уже говорилось, первичная структура центромерной ДНК отличается между видами, и было высказано предположение, что центромерный гистон Н3 коэволюционирует вместе с центромерной ДНК, в частности у дрозофилы и арабидопсиса [1].

Обнаружение центромерного гистона Н3 породило крайнюю точку зрения, согласно которой центромерная функция и ее полная независимость от первичной структуры ДНК определяется нуклеосомной организацией и этим гистоном. Но достаточно ли этих факторов для полноценной активности центромеры? Модели, игнорирующие роль первичной структуры ДНК, должны предполагать случайное распределение изменений в структуре центромерной ДНК в различных популяциях в отсутствие отбора. Однако анализ сателлитной ДНК в центромерах человека и Arabidopsis выявил консервативные районы, так же как и районы с более высокой, чем средняя, вариабильностью, что указывает на давление отбора на центромерную ДНК. Кроме того, искусственные центромеры удалось получить только с a-сателлитными повторами человека, амплифицированными из природных центромер, но не из a-сателлитов прицентромерных районов хромосом.

Меньше принципиальных трудностей для объяснения встречают модели, в которых решающим фактором в определении позиции центромеры (сохраняющейся от поколения к поколению) и ее функций служит третичная (или даже более высокого порядка) структура ДНК. Ее консерватизм допускает большие вариации в последовательности нуклеотидов и не исключает тонкую подстройку первичной структуры.

Хеникофф с коллегами [2] предложили модель, описывающую координированную эволюцию ДНК и белков и приводящую к появлению оптимально функционирующих центромер на примере деления женских половых клеток. Как известно, в процессе мейоза одна родительская клетка посредством следующих друг за другом двух делений дает начало четырем дочерним клеткам. Впоследствии только одна из них превращается в зрелую женскую половую клетку (гамету), передающую генетическую информацию следующему поколению, тогда как три других клетки отмирают. Согласно этой модели, в процессе эволюции вследствие мутаций и других механизмов в хромосомах могут возникать центромеры с более протяженными тяжами мономеров сателлитной ДНК или с первичной структурой нуклеотидов, более способствующей связыванию и координированной работе со специфическими формами гистонов CENH3 и СЕNР-С. При этом у одних организмов (арабидопсис, дрозофила) доказательства для положительного давления отбора получены для CENH3, тогда как для других видов (злаки, млекопитающие) для СЕNР-С (рис.4,а). В итоге такие центромеры с усовершенствованным кинетохором становятся “сильнее” и могут присоединять большее число микротрубочек веретена деления (рис.4,б). Если таких “сильных” центромер оказывается в гаметах больше, то происходит процесс мейотического драйва, который увеличивает количество таких центромер, и новый вариант фиксируется в популяции.

Рис. 4. Модель, объясняющая эволюцию центромер.

Вверху - центромеры (серые овалы) содержат специализированный набор белков (кинетохор), включающий гистоны CENH3 (H) и CENP-C (C), которые в свою очередь взаимодействуют с микротрубочками веретена деления (красные линии). В различных таксонах один из этих белков эволюционирует адаптивно и согласованно с дивергенцией первичной структуры ДНК центромер.
Внизу - изменения в первичной структуре или организации центромерной ДНК (темно-серый овал) может создавать более сильные центромеры, что выражается в большем количестве присоединяемых микротрубочек.

Понять механизмы формирования и активности центромерных районов хромосом помогает сравнительная геномика. Уникальный пример разнообразной структуры центромер - хромосома 8 в геноме риса. В ней наряду с сателлитным повтором ДНК и ретротранспозонами обнаружены активно транскрибируемые гены; 48 из них имели последовательности с высокой гомологией к известным белкам [3]. Эти находки опровергают сложившееся на основе изучения центромер человека, дрозофилы и арабидопсиса мнение, что в центромерах нет активно работающих генов.

Если в молекулярной структуре центромер различных видов эукариот присутствуют некоторые универсальные характеристики (организация ДНК в виде тандемных, относительно коротких мономеров и специфические для данных локусов белки хроматина), то в размерах этих районов трудно выявить какие-либо закономерности. Так, у дрожжей Saccharomyces cerevisiae за минимальную функциональную центромеру принимают участок ДНК в 125 нп, а у дрожжей Schizosaccharomyces pombe она значительно сложнее и длиннее (от 40 до 120 тыс. нп), имеет несколько уровней организации. У человека основной компонент центромер хромосом - a -сателлитная ДНК - образует длинные тяжи тандемно организованных мономеров (от 250 тыс. до 4 млн нп). Среди 12 хромосом риса в хромосоме 8 длина тяжа с сателлитом CentO наименьшая (~64 тыс. нп); в ней определили позицию центромеры и ее примерный размер в 2 млн нп [3]. Удалось получить полную последовательность ДНК этого центромерного района и внутри него определить участок (~750 тыс. нп), где непосредственно формируется кинетохор. В этом районе находится основной кластер CentO.

Удивительная пластичность центромер, в частности активно работающие гены, обнаруженные в центромере хромосомы 8 риса, предполагает отсутствие строгой границы между центромерой и остальной частью хромосомы и даже возможность рассеянной структуры центромерного хроматина. Однако против существования нескольких кластеров в районе хромосомной перетяжки говорят недавно опубликованные данные о наличии хроматинового барьера между собственно центромерой и прицентромерным гетерохроматином у дрожжей Schizosaccharomyces pombe [4]. Барьер представляет собой ген тРНК аланина. Делеция или модификация барьерной последовательности ведет к выходу прицентромерного гетерохроматина за свои обычные границы. Более того, отсутствие барьера вызывает ненормальное расхождение хромосом в мейозе. Безусловно, следует помнить, что эти интереснейшие результаты касаются пока только одного вида дрожжей.

Термин “теломера” предложил Г.Мёллер еще в 1932 г. [5]. В его представлении она означала не только физический конец хромосомы, но и присутствие “терминального гена со специальной функцией запечатывания (пломбирования) хромосомы”, которое делало ее недоступной для вредных воздействий (хромосомных перестроек, делеций, действия нуклеаз и т.д.). Наличие терминального гена не подтвердилось в последующих исследованиях, однако функция теломеры была определена точно.

Позднее выявили еще одну функцию. Так как на концах хромосом обычный механизм репликации не работает, в клетке есть другой путь, поддерживающий стабильные размеры хромосом при клеточном делении. Эту роль выполняет специальный фермент, теломераза, которая действует подобно другому ферменту, обратной транскриптазе: использует одноцепочечную РНК-матрицу для синтеза второй цепи и восстановления концов хромосом. Таким образом, теломеры во всех организмах выполняют две важные задачи: защищают концы хромосом и поддерживают их длину и целостность.

Первые работы по определению природы ДНК теломер выявили тандемную организацию коротких мономеров у широкого спектра организмов (простейших, грибов, насекомых, растений и млекопитающих [6]), что вполне соответствовало универсальному характеру функций теломеры. Еще одна консервативная особенность теломерной ДНК - наличие относительно короткого одноцепочечного “хвоста”, состоящего из G-остатков с ориентацией 5’-3’ G-богатой цепи вперед к концу хромосомы. Считают, что такой выступ обеспечивает связывание теломер-специфических белков, образующих “колпак” (cap) для защиты конца хромосомы.

Однако по мере расширения изучаемых видов оказалось, что существуют альтернативные пути удлинения концов хромосом и их защита не зависит от короткого канонического повтора. Например, у Drosophila melanogaster ДНК теломер состоят из тандемных тяжей, образовавшихся в результате последовательных транспозиций ретротранспозонов, а одноцепочечных G-выступов пока не обнаружено. Несмотря на столь существенные различия в природе ДНК двух типов теломер, они имеют много общего. Например, и те, и другие поддерживают свою длину с помощью обратной транскрипции с РНК-матрицы и могут использовать для этой цели рекомбинацию (обмен генетическим материалом).

Список организмов, теломеры которых не имеют консенсусной последовательности, продолжает расширяться и сегодня включает некоторые виды из четырех отрядов насекомых: Diptera, Coleoptera, Heteroptera и Dermaptera . У комаров ( Diptera ) отмечен третий тип теломер: их ДНК представлена длинным тяжем регулярного тандемного повтора длиной 340 нп. Вероятно, здесь размеры поддерживаются подобно уже описанному механизму для первых двух типов, т.е. регенерация сложных повторов может происходить с помощью рекомбинации или опять-таки обратной транскрипцией РНК, продуцируемой с теломеры. Среди растений также описаны виды родов луковых и алое, не имеющих консенсусного теломерного повтора, TTTAGGG. Таким образом, подобно рассмотренным выше центромерам, теломеры выполняют исключительно важные и консервативные функции и имеют удивительно пластичную структурную организацию ДНК.

Согласно многим исследованиям, размер теломеры может колебаться при стрессовых воздействиях, укорачиваться при старении и онкогенезе. Вместе с тем другие работы демонстрируют относительное постоянство размеров теломеры у каждого конкретного вида, что указывает на функционирование регуляторного механизма, контролирующего теломеразу так, чтобы ее активность ограничивалась только компенсацией репликационных потерь теломерной ДНК. Следует отметить, что все приведенные количественные оценки носят относительный характер. Несмотря на это, можно определенно утверждать, что размеры теломер и центромер как среди различных видов эукариот, даже эволюционно близких, так и между различными хромосомами одного кариотипа характеризуются высокой гетерогенностью. В связи с этим возникает вопрос, а существует ли четкая, обусловленная различиями в молекулярной структуре граница, отделяющая эти районы от остальной хромосомы?

Анализ имеющихся данных показывает, что в случае теломер о существовании такой границы говорить трудно, если вообще возможно. Неясно, что считать настоящей (истинной) теломерой. Наиболее популярная точка зрения рассматривает в качестве теломеры весь тяж последовательности ДНК теломерного повтора вместе с многочисленными белками, связывающимися как с одно-, так и с двухцепочечной ДНК. Однако у многих видов эукариот (особенно если геномы большого размера) переход между тяжом теломерного повтора и субтеломерой характеризуется появлением мономеров с вырожденной структурой классического повтора и заканчивается копиями дегенеративных повторов с более чем одной нуклеотидной заменой. Более того, сам тяж теломерного повтора представляет собой отнюдь не такую гомогенную структуру, как было принято думать.

Мы с помощью флуоресцентной in situ гибридизации теломерного повтора на фибриллах ДНК показали, что наряду с гомогенными флуоресцирующими треками сигнала гибридизации присутствуют треки с разрывами, в которых, вероятно, помимо теломерного повтора находятся другие типы последовательностей ДНК (рис.5). Мы также обнаружили фибриллы с рассеянными одиночными сигналами теломерного повтора. Таким образом, теломерные повторы не всегда организованы как монотонные гомогенные тяжи мономеров. Они могут прерываться другими последовательностями ДНК и рассеиваться в виде коротких кластеров. Такая гетерогенная организация может приводить к завышенным количественным оценкам длины теломер и, кроме того, к неадекватной оценке участия соседних последовательностей в вариации размеров теломер.

Рис. 5. Гибридизация пробы ДНК на растянутых фибриллах ржи.
Различные типы организации теломерного повтора: монотонные треки ( вверху )
и треки с разрывами (спейсерами) различных размеров ( в середине и внизу ).

Теломерные повторы могут располагаться вдоль плеч в интерстициальных и даже в прицентромерных районах хромосом, но сами по себе не образуют функциональную теломеру. Вполне логично думать, что для ее формирования необходимы специализированные белки, обволакивающие теломерную ДНК и защищающие концы хромосомы от нежелательных воздействий. Теломерную ДНК можно рассматривать как платформу для сборки больших комплексов белков, ключевой среди которых - комплекс теломеразы. Кроме того, в реализации ее функций участвуют другие системы: ДНК-белковый комплекс, формирующийся на одноцепочечном G-выступе, и белковые комплексы на двухцепочечной ДНК теломерного повтора. Некоторые белки специфически локализованы на теломерах, но основная их часть присутствует и в других участках хромосом.

Предложена модель белкового комплекса из шести теломер-специфических белков, формирующегося на теломерах хромосом человека [7]. ДНК образует t-петлю, а одноцепочечный выступ внедряется в двухцепочечный участок ДНК, расположенный дистально (рис.6). Белковый комплекс позволяет клеткам отличать теломеры от мест разрыва хромосом (ДНК). Не все белки теломер входят в состав комплекса, который избыточен на теломерах, но отсутствует в других районах хромосом. Защитные свойства комплекса вытекают из его способности воздействовать на структуру теломерной ДНК по крайней мере тремя способами: определять структуру самого кончика теломеры; участвовать в образовании t-петли; контролировать синтез теломерной ДНК теломеразой. Родственные комплексы найдены и на теломерах некоторых других видов эукариот.

Рис. 6. Модель образования t-петлевой структуры на конце хромосомы.

Вверху - теломера в момент репликации хромосомы, когда ее конец доступен для комплекса теломеразы, который осуществляет репликацию (удвоение цепи ДНК на самом кончике хромосомы). После репликации теломерная ДНК (черные линии) вместе с находящимися на ней белками (показаны разноцветными овалами) образует t-петлю ( нижняя часть рисунка ).

Итак, у подавляющего большинства организмов основной тип последовательностей ДНК в центромерных и теломерных районах - это тандемно организованные мономеры короткой длины. Очевидно, что столь короткие последовательности (особенно в теломерах) обладают крайне ограниченной кодирующей способностью в первичной структуре и не соответствуют концепции Мёллера о терминальном гене [5].

В последние годы стало очевидным, что универсальных последовательностей ДНК, непосредственно определяющих функции центромер и теломер, нет. В этих районах хромосом ДНК служит платформой для сборки сложных, многокомпонентных ДНК-белковых комплексов, которые и обеспечивают выполнение этих функций. Более подробно о комплементарной организации этих комплексов и их координированного функционирования можно прочитать в нашем обзоре [2]. Наряду со специфическими для центромер и теломер компонентами этих комплексов в их состав входят и такие, которые участвуют в выполнении нескольких функций, иногда даже противоположных. Например, Ku70/80-гетеродимер входит в состав теломер и работает как позитивный регулятор длины теломер у дрожжей и негативный регулятор - у растения арабидопсис. В тоже время этот белок участвует в распознавании разрывов хромосом и их восстановлении. Без сомнения, одно из наиболее актуальных направлений исследований - выявление молекулярной природы механизмов регуляции разнообразных молекулярных комплексов, обеспечивающих активность центромер и теломер.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 04-04-48813), INTAS (03-51-5908)
и Программы интеграционных проектов СО РАН (проект 45/2).

1. Talbert P.B., Bryson T.D., Henikoff S. // J. Biol. 2004. V.3. Article 18.

2. Вершинин А.В. // Генетика. 2006. V.42. P.1200-1214.

3. Wu J., Yamagata H., Hayashi-Tsugane M. et al. // Plant Cell. 2004. V.16. P.967-976.

4. Scott K.C., Merrett S.L., Willard H.F. // Curr. Biol. 2006. V.16. P.119-129.

5. Muller H.J. Further studies on the nature and causes of gene mutations // Proc. Sixth Int. Congr. Genet. 1932. V.1. P.213-255.

Структура ДНК: центромеры, теломеры

Теломеры и центромеры. Центомеры и теломеры - наиболее четко выраженные морфологические структуры хромосом (прозрачка 12). Долгое время считалось, что их строение и функции связаны с какими-то особенными последовательностями ДНК. Однако удалось выявить лишь одну такую особенность на молекулярном уровне: присутствие в области центромер и теломер сателлитной ДНК. Сателлитная ДНК - это длинные тандемные повторы, расположенные в области центромер и теломер.

Строение центромер. У млекопитающих центромеры имеют сложную дискообразную структуру, называемую кинетохором. С каждой стороны хромосомы располагается по одному кинетохорному диску. Во время митоза микротрубочки фибрилл веретена деления прикрепляются непосредственно к плотному наружнему слою кинетохора, связанному с петлями хроматина. Кинетохор у дрожжей образуют CEN-области (короткие сегменты ДНК) вместе с ДНК-связывающими белками (прозрачка 13). Последовательности, расположенные с одной или с обеих сторон от CEN-областей, могут блокировать прохождение репликационной вилки до появления специфического сигнала, разрешающего окончание репликации в анафазе.в таком случае число хромосом не будет превышать одной на дочернюю клетку.

Последовательности в области теломер. Теломеры -концы эукариотической хромосомы, являются также и концами линейного дуплекса ДНК. Именно с теломерами связана одна из проблем репликации: как достраиваются 5ґ-концы хромосомного дуплекса, если ДНК-полимеразы не инициируют синтез новых цепей? Возможно, этот вопрос решается также как при репликации линейного дуплекса аденовирусов, или с помощью альтернативных механизмов? Недавно полученные данные свидетельствуют о том, что концевые области эукариотических хромосом - теломеры - реплицируются с помощью особого механизма. Концы хромосом дрожжей, беспозвоночных, растений и позвоночных имеют сходное строение: они содержат шпилькообразные структуры, в которых 3ґ- и 5ґ-концы дуплекса ДНК оказываются рядом, и много тандемных повторов. Около петли в одной из цепей в области повторов имеются множественные одноцепочечные разрывы. Недавно из Tetrahymena был выделен фермент - теломераза - терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза, которая присоединяет повтор 5ґ-TTGGGG-3ґ, последовательно по одному нуклеотиду, к 3ґ-концам специфических олигонуклеотидных праймеров (TTGGGG)_n (Tetrahymena) и (TGTGTGGG)_n (дрожжи). Таким образом, теломераза может строить теломеры при этом родительская ДНК не используется в качестве матрицы (ппрозрачка 20). Теломераза - это крупный рибонуклеопротеиновый комплекс, а для проявления ферментативной активности требуется как РНК так и белки. Гипотетически схема образования теломеры представлена на рисунке. В верхней части рисунка представлено образование петли на конце цепи, содержащей последовательность 5ґ-(TTGGGG)_n-3ґ, и одноцепочечных разрывов на противоположной цепи, содержащей последовательность 5ґ-(CCCCAA)_n-3ґ. К 3ґ-концу нижней цепи с помощью телоизомеразы присоединяются последовательно, по одному нуклеотиду, единицы 5ґ- TTGGGG -3ґ. Праймаза и ДНК-полимераза копируют 5ґ- (TTGGGG)_n -3ґ-цепь с образование новых 5ґ-(CCCCAA)_n-3ґ-единиц. В результате неполного лигирования в С-богатой цепи остаются одноцепочечные разрывы. На 3ґ-конце 5ґ-(TTGGGG)_n-3ґ-цепи вновь образуется петля, стабилизируемая взаимодействиями между остатками гуанозина.

Структура ДНК: центромеры, теломеры

Хромосомы практически полностью состоят из ДНК, которая содержит информацию, необходимую для синтеза всех белков организма. В состав ДНК входят миллионы нуклеотидов, которые образуют две сопряжённые спиральные цепи. Каждый нуклеотид имеет одно из четырёх азотистых оснований, при этом основа генетической информации — последовательность этих оснований.

Каждое основание в одной цепи комплементарно связано с основанием в другой, позволяя последовательности оснований в одной цепи быть шаблоном для образования последовательности оснований в другой. Синтез новой ДНК называют репликацией.

Единицей длины ДНК служит пара нуклеотидов (п.н.), при этом 1000 п.н. называют тысячей пар нуклеотидов (т.п.н. — килобаза), а 1 000 000 п.н. — миллионом пар нуклеотидов (м.п.н. — мегабаза). В среднем ДНК каждой клетки организма человека состоит примерно из 7000 м.п.н.

Обычно ДНК представляют в виде очень длинной, пластичной лестницы, закрученной по часовой стрелке (как штопор) посредством спирализации вокруг «телеграфного столба». Каждая «вертикальная стойка» лестницы состоит из повторяющихся молекул сахара дезоксирибозы, которые соединены друг с другом посредством фосфоэфирных связей, образованных в результате взаимодействия между 3'-гидроксильной группой одной молекулы и 5'-фосфатной группой другой.

В нижней части одной цепи последним является З'-атом углерода со свободной гидроксильной группой (ОН-), а в верхней части — 5'-атом углерода со свободной фосфатной группой. Вторая цепь имеет диаметрально противоположные концы.

«Ступени» лестницы формируют азотистые основания двух типов — пуриновые и пиримидиновые. К пуринам относят аденин (А) и гуанин (Г), а к пиримидинам — цитозин (Ц) и тимин (Т). Основания прикрепляются к 1-атому углерода дезоксирибозы. Структуру, состоящую из пуринового или пиримидинового основания, прикреплённую к сахару и имеющую фосфатную группу, называют нуклеотидом.

Сегмент двухцепочечной молекулы ДНК представляет собой два соединённых между собой спирализованных нуклеотида. Двойная спираль имеет большую (щель между соседними молекулами сахарофосфатного каркаса) и малую бороздки, пролегающие вдоль ряда азотистых оснований. Полный оборот спирали состоит из десяти пар нуклеотидов.

Пары оснований соединены между собой посредством водородных связей, при этом А и Т имеют два свободных участка связывания, а Ц и Г — три. Аденин всегда образует пару только с тимином, а цитозин — с гуанином. Спаривание оснований (правило Уотсона—Крика) происходит исключительно по принципу комплементарности.

Таким образом, последовательности 5'-ЦГАТ-3' комплементарна последовательность 3'-ГЦТА-5' (при условии чтения в том же направлении) или 5'-АТЦГ-3' (если руководствоваться общепринятым правилом считывания от 5'-конца к 3'). Из этого можно сделать вывод, что количество остатков аденина (А) в молекуле ДНК равно количеству остатков тимина (Т), так же как и количество остатков цитозина (Ц) равно количеству остатков гуанина (Г) (правило Чаргаффа).

Центромеры ДНК

Центромерная ДНК состоит из многократно повторяющихся коротких последовательностей азотистых оснований, расположенных одно за другим. В каждой хромосоме данные последовательности различны, однако у них существуют гомологичные участки.

У человека основная повторяющаяся последовательность — а-сателлитная ДНК, состоящая из 171 п.н. Она богата АТ-основаниями и имеет центр связывания с белком, входящим в состав кинетохора, ответственного за образование микротрубочек веретена деления.

Теломеры ДНК

В отличие от повторяющихся последовательностей в центромерной ДНК нуклеотидные последовательности теломеры одинаковы для всех хромосом не только человека, но и других видов. ДНК теломер человека представляет собой длинные линейные цепи, которые состоят из коротких тандемных повторов последовательности 5'-ГГГТТА-3', насчитывающих несколько сотен оснований на каждом из концевых участков хромосом.

Большая часть этой ДНК двухспиральна и имеет последовательность 3'-ЦЦЦААТ-5' на комплементарной цепи, однако 3'-конец односпиральный и предположительно обматывает двухцепочечную часть молекулы и пронизывает её в районе нескольких тысяч пар нуклеотидов от конца. Образуемая при этом трёхцепочечная структура стабилизирована посредством связывания с теломерспецифическим белком.

Структурные классы ДНК

Гаплоидный геном человека состоит примерно из 20 000— 25 000 ядерных генов, т.е. генов, кодирующих последовательности оснований и связанные с ними элементы контроля, а также 37 генов (включая гены митохондриальной тРНК; см. главы 6, 23) генома митохондрий. Тем не менее ядерный геном составляет не более 3% ядерной ДНК, в то время как остальная часть не несёт кодирующей функции. К ней относят нитроны, которые прерывают кодирующие экзоны большинства генов.

Помимо этого, 75% ДНК человека находится снаружи или между генами. При этом 60% этой ДНК имеет уникальную или умеренно повторяющуюся нуклеотидную последовательность, а 40% — умеренно и часто повторяющуюся нуклеотидную последовательность.

Высокоповторяемыми считают микросателлитные и минисателлитные ДНК, которые различаются по длине тандемного повтора. Сателлитной называют ДНК, у которой наблюдают резкое смещение соотношения А+Т/Г+Ц. При этом её плотность заметно отличается от плотности основной молекулы ДНК, а потому во время центрифугирования в градиенте плотности механически расщеплённой ДНК она может быть выделена в виде добавочной («сателлитной») фракции по отношению к основным.

Около 10% ядерной ДНК состоит из 500 000 копий повторов последовательностей ДНК, средний размер которых составляет примерно 800 п.н. (длинные рассеянные повторы, или LINES). Существует около миллиона копий коротких повторов (примерно 300 п.н.), известных как Аlu, и 400 000 других повторов, состоящих из 130 пар нуклеотидов, называемых M1R. Все вместе они составляют 9% ядерного генома, их называют короткими рассеянными повторами (SINES).

Значение ДНК для медицины и судебной экспертизы. Микросателлитные ДНК рассеяны по всему геному, они предназначены для отслеживания наследования патологических аллелей генов, с которыми тесно сцеплены. Минисателлитные ДНК сконцентрированы вблизи центромер и теломер, а потому не так полезны для отслеживания генов, однако, поскольку они различны у каждого человека, их используют для определения фингерпринтов ДНК. Это играет исключительно важную роль при установлении отцовства, а также для судебной экспертизы.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Из чего собрана наша ДНК

Из школьного курса биологии вы наверняка помните, что ДНК - это нечто в форме спирали. В спираль закручены две нити. Если по биологии было отлично, то вспомните и сложную расшифровку аббревиатуры ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. И независимо от оценки, при виде этой аббревиатуры на ум сразу приходит слово "ген". Но если б знали вы, из какого сора растут осмысленные гены и наши знания - о них и ДНК.

Научная догма

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали в журнале Nature двухстраничную статью с заголовком "Молекулярная структура дезоксирибонуклеиновых кислот". В статье коротенечко сообщалось, что ДНК - это двойная спираль, нити которой состоят из нуклеотидов, букв "генетического текста", и удерживаются вместе эфемерными водородными связями. Примерно тогда же стало понятно, как ДНК воспроизводит свои копии, и был сформулирован ключевой для всей биологии принцип - центральная догма* молекулярной биологии.

*Ее автор, один из первооткрывателей молекулярной структуры ДНК Фрэнсис Крик, объяснял выбор этого слова желанием подобрать звучное название.

Эта догма гласит: ДНК является средоточием генетической (наследственной) информации и может служить инструкцией - матрицей для синтеза своей ближайшей родственницы РНК, рибонуклеиновой кислоты. Последняя содержит информацию, которая используется для синтеза белков, а уже те самостоятельно принимаются за дело, выполняя огромное разнообразие работ в клетке. Вольный пересказ центральной догмы молекулярной биологии на сем окончен.

Появление этой догмы ознаменовало наступление "нового времени" в науке о живом. Но заметьте: что догма, что открытия 1950-х выхватили, словно лучом прожектора, только самый центральный, основополагающий сюжет с участием ДНК - кодирующие последовательности в генах. Все остальное первооткрыватели структуры чудо-молекулы пренебрежительно назвали "мусорной ДНК" (англ. Junk DNA), оставив без внимания.

16 000 томов Толстого

В последующие десятилетия некодирующей "темной материи" не придавали особого значения. Но время шло, не стоял на месте и научный прогресс - ученые понемногу узнавали о разнообразии процессов, происходящих внутри ДНК и с ее участием. Немало удивительного удалось узнать и о геноме в целом. Например, что весь генетический код представляет собой длинный текст, который записан 4-буквенным алфавитом. Это так называемые нуклеотиды: аденин - A, тимин - T, гуанин - G и цитозин - C.

Не так давно, на рубеже тысячелетий, чтобы получить полную версию этого сакраментального "текста", был создан огромный международный консорциум "Геном человека". На протяжении более чем 10 лет исследователи из 20 научных центров США, Великобритании, Японии, Франции, Германии, Испании и Китая и нескольких частных компаний сплоченно работали и ежедневно докладывали о своих успехах.

В результате огромной работы к 2003 году этот написанный природой и прочитанный человеком опус был наконец опубликован. В последовательности из 3 миллиардов букв* было найдено около 20-25 тысяч фрагментов - генов, - в которых непосредственно закодирована наследственная информация.

*Для сравнения: в 4-томном романе "Война и мир" всего-навсего около 750 тысяч знаков, включая знаки препинания и пробелы. Если разбить ДНК на отрезки, равные по числу знаков томам "Войны и мира", получится, что геном человека - это 16 000 таких томов.

Средняя длина гена - около 25-27 тысяч пар нуклеотидов. Если посчитать долю знаков всех генов от объема общего текста, получится около 2%. Если вычесть некодирующие элементы внутри генов, и того меньше. Но если в категорию "мусора" попало 98% генома, значит, этот мусор для чего-то да нужен?

Для сравнения: в 4-томном романе "Война и мир" всего-навсего около 750 тысяч знаков, включая знаки препинания и пробелы. Если разбить ДНК на отрезки, равные по числу знаков томам "Войны и мира", получится, что геном человека - это 16 000 таких томов.Проект "Геном человека" подарил много новых инструментов для работы с ДНК. Историки науки даже называют 2003 год началом новой эры в биологии - постгеномной. Менее чем за два десятилетия в арсенале учёных появились методы, позволяющие распознавать отдельный нуклеотиды при протягивании молекулы ДНК через нанопору, - в ХХ веке о таком не помышляли даже фантасты. И потихоньку наука начала разбираться с завалами "мусора".

Так из какого сора?

Что же представляет собой это "молчаливое большинство" нашего генома?

Безусловно, нельзя говорить о ненужности и бессмысленности 98% генетического материала. Эту хаотичную и слабо понятную сейчас массу можно назвать не мусором, а скорее свалкой сокровищ.

Некодирующие области могут выполнять разные функции или не выполнять никаких. Чтобы попасть в эту огромную категорию, участкам ДНК достаточно не хранить в себе информацию о структуре РНК или белка.

Компоненты человеческого генома

Кодирующие области 2%

Непосредственно внутри кодирующих областей встречаются интроны. Это такие участки ДНК, которые сидят внутри генов, но при этом ничего не кодируют. В дальнейшем интроны безжалостно вырезаются и выбрасываются из уже из РНК (этот процесс называется сплайсингом). Обилие подобных побочных продуктов производства РНК характерно для эукариот: у них для генома есть специальный контейнер, способный вместить сколь угодно много сора, - ядро. В человеческой ДНК на интроны приходится аж четверть текста. У бактерий такого контейнера нет, их геномы более компактные и рационализированные.

За границами кодирующих областей встречаются два типа крайне важных последовательностей: промоторы и терминаторы. Первые обозначают место, откуда надо начать считывание гена, вторые - конец. Рядом могут находиться энхансеры и сайленсеры - своеобразные тумблеры, позволяющие настроить активность считывания гена. Регуляторные участки ДНК - важный тип некодирующих последовательностей, ведь такая сложная машина, как организм, должна, во-первых, правильно собирать себя в процессе развития и, во-вторых, оперативно реагировать на изменения состояния - своего собственного и окружающей среды.

Плодятся буквы, как лопухи и лебеда, как буквы в ворде

"Ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа", - повторяет Владимир Сорокин несколько страниц в своем дебютном романе "Норма", используя бессмысленный повтор как средство художественной выразительности. TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT или GCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCA, - вторит ему ДНК. На такие последовательности приходится около 1,5 миллиарда знаков из 3-миллиардного текста нашего генома. Почему бессмысленные повторы занимают столько места? Или, раз это место им отведено, они что-то да значат? Учёные считают, что повторяющиеся последовательности - это горячие точки эволюции: с ними связаны быстрые и неожиданные изменения генома. Исследования показали, что не все повторы одинаковы, их можно разделить на два больших типа: прямые и диспергированные, причём в каждом по несколько разновидностей.

Диспергированные повторы, в отличие от прямых, не идут впритык друг за другом, а перемежаются с другими участками ДНК. По большей части диспергированные повторы - это транспозоны, последовательности-анархисты, способные скакать с места на место, то есть перемещаться по геному. Свободолюбивое поведение делает транспозоны важной движущей силой эволюции: они перемешивают и прочее население генома, вмешиваясь в работу генов.

Некоторые транспозоны - ретротранспозоны - могут не только скакать по геному, но и плодиться в нём. Их название отражает не художественные пристрастия, а механизм, который эти мобильные генетические элементы используют для передвижения по ДНК. Корень "ретро-" по аналогии с ретровирусами намекает на переход в форму РНК. То есть такие последовательности сначала считываются, а потом из РНК-матрицы переходят снова в ДНК, встраиваясь в новое место генома. Принцип "копировать - вставить". Оставшиеся малочисленные ДНК-транспозоны переходить в РНК не умеют, им остается вариант "вырезать - вставить".

Ретротранспозоны нашего генома можно разделить на несколько групп. Во-первых, это LTR-ретротранспозоны. На концах таких последовательностей присутствуют особые повторяющиеся участки. Подобные концевые повторы есть у ретровирусов и используются ими для встраивания генетического материала в геном хозяина. Это сходство названий и последовательностей не случайно: LTR-ретротранспозоны происходят от ретровирусов. Очередной вирусный след в человеческом геноме, притом увесистый: на LTR-повторы приходится порядка 8% генома Homo sapiens.

Ретротранспозоны LINEs и SINEs таких концевых повторов лишены. Главное различие между ними в размере: от менее 500 нуклеотидов у SINEs до в среднем 7000 у LINEs. Самые любопытные из них Alu-повторы. Подавляющее большинство SINEs генома Homo sapiens - это именно они. Предполагают, что Alu-элементы возникли около 100 млн лет назад и с тех пор изменялись вместе с расходящимися по собственной эволюционной ветке обезьянами. Изучение Alu-повторов помогает лучше понять родословную наших родичей.

Ну сколько можно повторять!

Тандемные повторы ДНК вплотную примыкают друг к другу, почти как ездоки велосипеда-тандема. Отсюда их правильная структура с регулярным чередованием. Ну а свойства определяются размером повторов, по этому признаку тандемные повторы делят на три типа: сателлиты, минисателлиты и микросателлиты.

Самые длинные - сателлиты, или сателлитная ДНК, - могут тянуться миллионы и миллионы нуклеотидов подряд. Космическое название (англ. Satellite - спутник) связано с тем, что при ультрацентрифугировании (метод разделения веществ в результате очень быстрого раскручивания на ультрацентрифуге) эта часть ДНК легко отделялась от прочего генома. Сателлиты не кодируют РНК и белки и вообще складированы в "технических" областях хромосом: центромерах и теломерах. Центромеры и сателлитные повторы важны при делении клетки. Когда дело доходит до разделения удвоенных хромосом, микротрубочки подходят именно к центромерам и тянут за них хромосомы в противоположном направлении. А сателлиты в теломерах не позволяют концам хромосом слипаться (и самой хромосоме - разрушиться). Еще они защищают нас от старения, препятствуя укорачиванию хромосом.

Средненькие в семье тандемных - минисателлиты, - как заведено и у людей, следуют за старшенькими. Они обнаружены не в самих центромерах и теломерах, а по соседству. Именно по последовательностям минисателлитов в детективных сериалах определяют сходство ДНК с места преступления с ДНК подозреваемого, а в романтических - устанавливают родительство. Длина каждого отдельного минисателлита довольно специфична у каждого из нас, однако у близких родственников они схожи.

Самые маленькие из тандемных повторов длиной всего 6-10 нуклеотидов - микросателлиты. Как и средненькие (и по тому же принципу), самые короткие в семействе нашли применение в криминалистике, но на этом их сходство со старшими братьями заканчивается. В отличие от них, микросателлиты находятся не в определённых участках хромосом, а распределены по всей ДНК почти равномерно. И не криминалистическое применение в них самое интересное. Микросателлиты, несмотря на малый размер, - кипучие котлы эволюции. Мутации в них происходят в тысячу раз чаще, чем в каких-либо других нуклеотидах. Характер этих мутаций заключается в потере или дублировании единиц-повторов целиком. Притом не одной - иногда "проскальзывание" копирующего ДНК белка затрагивает большие участки ДНК со следующими один за другим микросателлитами.

Если такое нарастание происходит в некоторых пределах, то в целом ситуация остается под контролем. Если же они превышены (к этому располагает наследственность), никто и ничто уже не сможет удержать микросателлиты. Происходит так называемая экспансия: единицы микросателлитов повторяются сотни и тысячи раз подряд, а обладатель соответствующего генома приобретает серьезное, обычно неизлечимое и быстро прогрессирующее заболевание. Это может быть и болезнь Хантингтона - неуклонно прогрессирующее заболевание мозга, прославившееся вместе с Тринадцатой из сериала "Доктор Хаус", и синдром хрупкой Х-хромосомы. Хрупкой оказывается как раз область микросателлитов, причем хрупкой настолько, что часть этой хромосомы может просто. отвалиться.

Геном Homo sapiens - это текст из 3 миллиардов букв, который очень далек от порядка и предсказуемости. Наш геном - это разнообразие, хаос, повторы и. своеобразная эволюционная разумность. И неожиданные сюжетные повороты. Почти как в стихотворении Хармса об устройстве человека:

Читайте также: