|
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
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, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57
|
