Воспроизведение генетического материала

Репликация молекул ДНК происходит в синтетический период интерфазы. Каждая из двух цепей «материнской» молекулы служит матрицей для «дочерней». После репликации вновь синтезированная молекула ДНК содержит одну «материнскую» цепочку, а вторую – «дочернюю», вновь синтезированную (полуконсервативный способ). Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном. «Бактериальная хромосома» содержит один репликон, а эукариотическая – много репликонов.

Начало репликации активируется праймерами (затравками), состоящими из 100-200 пар нуклеотидов. Фермент ДНК-хеликаза раскручивает и разделяет (разрывает водородные связи между азотистыми основаниями) материнскую спираль ДНК на 2 нити, каждая их которых становится матрицей для синтеза «дочерних» цепей ДНК – по принципу комплементарности при участии фермента ДНК-полимеразы мономерные нуклеозидтрифосфаты (предшественники ДНК) соединяются между собой. Синтезированная нить через водородную связь соединяется с матричной ДНК. Фермент ДНК-топоизомераза скручивает «дочерние» молекулы ДНК.

В каждом репликоне ДНК-полимераза может двигаться вдоль «материнской» нити только в одном направлении (5' ==> 3'). На лидирующей нити по мере раскручивания репликона постепенно и непрерывно наращивается «дочерняя» цепь. На отстающей нити дочерняя цепь синтезируется также в направлении (5' ==> 3'), но отдельными фрагментами (Оказаки) по мере раскручивания репликона. Таким образом, присоединение комплементарных нуклеотидов «дочерних» нитей идет в противоположных направлениях (антипараллельно). Репликация во всех репликонах идет одновременно. Фрагменты Оказаки и части «дочерних» нитей, синтезированные в разных репликонах, сшиваются в единую нить ферментом лигазой. Репликация характеризуется полуконсервативностью, антипараллельностью и прерывистостью (фрагменты Оказаки). Весь геном клетки реплицируется один раз за период времени, соответствующий одному митотическому циклу.

Рассмотренный механизм репликации отличается чрезвычайно высокой точностью воспроизведения структуры ДНК. Поддержание такой ситуации обеспечивается механизмом самокоррекции, осуществляемым ДНК-полимеразой.

Самокоррекция заключается в отщеплении ошибочно включенного в цепь ДНК нуклеотида. Однако, несмотря на точность редупликации ДНК и эффективность самокоррекции, после удвоения ДНК в ней обнаруживаются ошибки. Изменения в структуре ДНК (повреждения азотистых оснований, разрыв одной или двух нитей молекулы, сшивки нитей ДНК, сшивки «ДНК-гистон») могут возникать спонтанно или под влиянием реакционно-способных соединений. Средняя вероятность ошибок достигает 10^-8-10^-9. Хотя эта вероятность невелика, однако, учитывая размеры генов (1×10³ пар оснований и больше), а также их большое количество (10×10⁵), следует признать, что суммарная частота ошибок редупликации при расчете на одну половую клетку и на одно поколение может быть значительной, а именно – несколько новых мутаций. Любое изменение в составе кодирующих единиц или в их взаимном расположении отразится на аминокислотном составе белка. Понятно, что если изменение касается одной аминокислоты, это может решительным образом отразиться на целом ряде свойств структурного белка или фермента. Биохимические системы организма человека работают чрезвычайно слаженно, поэтому изменение свойств даже одного белка может резко нарушить целый ряд функций. Но, вместе с тем, конечный признак во многом зависит от действия других генов и факторов внешней среды.

В процессе эволюции выработались антимутационные механизмы.

Устойчивость генетического материала обеспечивается:

1) диплоидным набором хромосом;

2) двойной спиралью ДНК;

3) вырожденностью (избыточностью) генетического кода;

4) повтором некоторых генов;

5) репарацией нарушений структуры ДНК.

Возникающие в ходе репликации ошибки устраняются благодаря действию механизма репарации. Репарация генетического материала – внутриклеточный процесс, осуществляемый до и после репликации – таким образом восстанавливается большая часть повреждений структуры молекулы ДНК. Обширный набор различных ферментов репарации (рестриктазы, лигазы и другие) осуществляет непрерывный осмотр ДНК, удаляя из нее поврежденные участки и способствуя поддержанию стабильности наследственного материала.

Впервые возможность репарации молекулы ДНК была установлена в 1948 г. А. Кельнером и соавт. К. Руперт (1962) описал один из способов репарации – световую или фотореактивацию. Было установлено, что при ультрафиолетовом облучении фагов, бактерий и простейших наблюдается резкое снижение их жизнедеятельности. Однако выживаемость значительно увеличивается, если на них дополнительно воздействовать видимым светом. Оказалось, что под действием ультрафиолета в молекуле ДНК образуются димеры (химические связи между двумя пиримидиновыми основаниями одной цепочки, чаще Т-Т), что препятствует считыванию информации. Видимый свет активирует ферменты, разрушающие димеры.

Темновая (эксцизионная) репарация была изучена А. Герреном в 50-е годы. Она заключается в нахождении и удалении поврежденного участка нити ДНК путем его «вырезания», в синтезе и вставке нового фрагмента с участием четырех групп ферментов. Темновая репарация протекает в 4 стадии.

1) Эндонуклеаза «узнает» поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК.

2) Экзонуклеаза «вырезает» поврежденный участок.

3) ДНК-полимераза по принципу комплементарности синтезирует фрагмент ДНК на месте разрушенного.

4) Лигаза «сшивает» концы ресинтезированного участка с основной нитью ДНК.

Принципиально доказана возможность репарации молекулы ДНК при повреждении обеих ее нитей. При этом информация может быть получена с и-РНК (фермент ревертаза).

Нарушение процессов репарации приводит к ряду заболеваний. У больных пигментной ксеродермой под действием солнечного света появляются веснушки, расширение капилляров, ороговение эпидермиса, поражение глаз, развитие злокачественных опухолей кожи. При анемии Фанкони наблюдается недостаточность костного мозга, приводящая к снижению содержания всех клеток крови и гиперпигментации.

Основное количество ДНК локализовано в хромосомах (95%). На внехромосомную часть генома человека – ДНК митохондрий приходится 5%.

Геном митохондрий полностью секвенирован. Он содержит 16 569 пар оснований и кодирует две рибосомные РНК (12S и 16S), 22 транспортные РНК и 13 полипептидов – субъединиц ферментативных комплексов окислительного фосфорилирования. Другие 66 субъединиц дыхательной цепи кодируются в ядре.

Совсем небольшое количество составляют отдельные кольцевые молекулы ДНК в ядре и цитоплазме. Кодирующая белки часть ДНК составляет всего 3-5%. Что делает «покоящаяся» часть генома – неизвестно.

Любые изменения в структуре ДНК (в хромосомах или митохондриях) ведут к генетическому полиморфизму.

Первичные функции гена. Первичными функциями генов являются хранение и передача генетической информации. Передача генетической информации происходит при репликации ДНК (аутосинтетическая функция при размножении клеток) и от ДНК через и-РНК к белку (гетеросинтетическая функция при биосинтезе белка). Такой путь передачи информации от ДНК к и-РНК и белку Ф. Криком (1958) был назван «центральной догмой молекулярной биологии».

Долгое время считалось, что передача генетической информации в обратном направлении невозможна. В 1975 г. Р. Дульбеко, Г. Тимин и Д. Балтимор описали явление обратной транскрипции, т.е. передачи генетической информации от и-РНК к ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы). Ревертаза была открыта у РНК-содержащих вирусов еще в 1970 г. (Г. Тимин, С. Музатани) и её наличие в нормальных клетках свидетельствует о возможности передачи информации от РНК к ДНК. Было установлено, что на определенных стадиях эмбриогенеза в клетках амфибий резко возрастает число генов, кодирующих рибосомальную РНК (амплификация генов). При этом происходит увеличение числа копий генов рибосомальной РНК методом обратной транскрипции.

Классификация генов. Все гены по функциям подразделяются на структурные и функциональные. Структурные гены несут информацию о белках-ферментах и гистонах, о последовательности нуклеотидов в различных видах РНК. Среди функциональных генов выделяют гены-модуляторы, усиливающие или ослабляющие действие структурных генов (ингибиторы, интенсификаторы, интеграторы, модификаторы) и гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторы и операторы).

Известно, что генотип у всех соматических клеток одинаковый (следствие равного распределения генетического материала между дочерними клетками при митозе), однако клетки разных тканей и органов одного организма сильно отличаются (нервные, мышечные, эпителиальные, соединительнотканные). Следует предположить, что в разных клетках работают разные блоки генов. Область проявления действия данного гена называется поле действия гена – например, гены, детерминирующие рост волос, развитие определенных папиллярных узоров на пальцах, ладонях и стопах и др.

Гены функционируют непостоянно. Например, гены, детерминирующие синтез пигмента меланина, окрашивающего волосы человека, в пожилом возрасте перестают работать, и волосы седеют. Гены, детерминирующие синтез половых гормонов, начинают функционировать интенсивно с момента полового созревания. К старости их функция значительно снижается. Время работы гена – это период его функционирования.

Условно гены можно разделить натри группы:

а) функционирующие во всех клетках (например, гены, кодирующие ферменты энергетического обмена);

б) функционирующие в клетках одной ткани (например, гены, детерминирующие синтез миозина в мышечной ткани);

в) специфичные для одного типа клеток (например, гены гемоглобина в незрелых эритроцитах).

Типы генов по функциям, которые они выполняют:

• больше всего известно генов, кодирующих ферменты, – 31,2% общего числа;

• в 2 раза меньше генов-модуляторов белковых функций – 13,6%. Они стабилизируют, активируют, свертывают или влияют иным образом на функции белка;

• остальные категории генов – кодирующие транскрипционные факторы, гормоны, иммуноглобулины, рецепторы и т. д. – составляют менее 10% общего числа.

Регуляция работы генов. Многими учеными было замечено, что некоторые ферменты у дрожжей и бактерий образуются в клетках только при выращивании их на определенных питательных средах. Например, при выращивании кишечной палочки на питательной среде, не содержащей лактозы, ее клетки содержат незначительное число (меньше пяти) молекул фермента лактазы, разлагающего лактозу на глюкозу и галактозу. При добавлении в питательную среду лактозы бактериальные клетки в течение 2-3 мин синтезируют большое количество лактазы (свыше 5 тыс. молекул). При удалении из среды лактозы синтез лактазы быстро прекращается. Вещества, индуцирующие синтез ферментов, которые их разлагают, называются индукторами (в данном примере индуктором является лактоза).

Подобные механизмы используются клеткой для выключения синтеза нужных ей соединений при их наличии в питательной среде. Например, аминокислота триптофан синтезируется при участии фермента триптофан-синтетазы. Однако, если в среде, на которой выращиваются бактерии, присутствует триптофан, синтез фермента немедленно прекращается. Это явление получило название репрессии, а вызывающий его фактор (в нашем примере – триптофан) – корепрессора.

Регуляция работы генов у прокариот. Схема регуляции транскрипции у прокариот была предложена Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на примере лактозного оперона. Группа структурных генов, управляемая одним геном-оператором, образует оперон. В состав оперона входит также небольшой участок ДНК – промотор с инициатором – место первичного прикрепления РНК-полимеразы – фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого синтеза и-РНК. Ген-оператор включает и выключает структурные гены для считывания информации; следовательно, они активны непостоянно. Заканчивается оперон терминатором. Ген-регулятор, находящийся обычно на некотором расстоянии от оперона, постоянно активен, и на основе его информации синтезируется особый белок-репрессор, который обладает способностью блокировать ген-оператор, вступая с ним в химическое соединение, и тогда считывание информации со структурных генов не происходит, т.е. оперон «не работает».

Если в клетку поступает индуктор, то он связывает белок-репрессор (вступает с ним в химическую связь), освобождая ген-оператор. РНК-полимераза разрывает связи между двумя цепочками ДНК оперона, начиная с промотора, и по принципу комплементарности информация (порядок нуклеотидов) со структурных генов переписывается на и-РНК (полицистронную), которая затем идет в рибосомы, где синтезируются ферменты, разлагающие индуктор. Когда последние молекулы индуктора будут разрушены, освобождается белок-репрессор, который снова блокирует ген-оператор – работа оперона прекращается. Она опять возобновится при поступлении индуктора.

Для каждого оперона имеется свой специфический индуктор. Например, для лактозного оперона индуктором является лактоза, для фруктозного – фруктоза и т.п.

Регуляция работы генов у эукариот.Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г. П. Георгиевым (1972). Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но механизмы ее более сложные. Единица транскрипции у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон. Неинформативная зона начинается промотором с инициатором. Далее следуют группа генов-операторов, за которыми расположена информативная зона. Информативная зона образована структурным геном, разделенным на экзоны (информативные участки) и интроны (неинформативные участки). Заканчивается транскриптон терминатором.

Работу транскриптона регулирует несколько генов-регуляторов, дающих информацию для синтеза нескольких белков-репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (например, гормоны), для расщепления которых требуется несколько ферментов (многоступенчатые реакции). Когда индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-полимераза разрывает водородные связи между двумя цепочками ДНК транскриптона, и по правилу комплементарности на нем сначала синтезируется большая молекула проинформационной РНК, списывающая информацию как с информативной, так и с неинформативной зон. В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг – ферментативное разрушение неинформативной части РНК и расщепление ферментами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Молекула и-РНК (моноцистронная), соответствующая экзонам структурного гена, формируется посредством сплайсинга (сплавления) отдельных информативных фрагментов ферментами лигазами. Далее и-РНК выходит из ядра, идет в рибосомы, где и происходит синтез белка-фермента, необходимого для расщепления индукторов. Включение и выключение транскриптона происходит принципиально так же, как и оперона.

В геноме эукариот встречаются уникальные последовательности нуклеотидов (одна в геноме), составляющие от 15 до 98% всего генома (у человека – 56%). Уникальная ДНК входит в состав структурных генов и дает информацию о первичной структуре полипептидов, причем более половины ее бывает неактивной. Наличие неинформативных участков (интронов) в генах эукариот – универсальное явление. Считают, что интроны содержат запасную информацию, обеспечивающую изменчивость. Кроме того, в геномах эукариот содержатся последовательности нуклеотидов, многократно повторяющиеся (десятки, сотни и даже миллионы раз). Повторяющиеся гены выполняют разнообразные функции: являются промоторами, регулируют репликацию молекул ДНК, участвуют в кроссинговере, отделяют экзоны и интроны и др. Жизнедеятельность организма обусловлена, в основном, функциональной активностью уникальных генов, которая, в свою очередь, зависит от состояния внутренней среды организма (например, гормонального фона) и условий окружающей среды.

Дата добавления: 2015-07-16