Полная версия

Главная arrow География arrow ГЕНЕТИКА В 2 Ч. ЧАСТЬ 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Структурная и генетическая организация хромосом и экстрахромосомных молекул ДНК

Генетический материал эукариот имеет сложную надмолекулярную организацию, определяющую формирование хромосом. Кроме того, в клетках различных организмов обнаружены экстрахромосомные (внеядерные, цитоплазматические) молекулы ДНК.

Хромосомы вирусов и прокариот

Генетический материал зрелой вирусной частицы (вириона) представлен одной молекулой нуклеиновой кислоты (ДНК либо РНК), которая окружена защитной белковой оболочкой (капсидом). Наряду с вирусами, содержащими двухцепочечную либо одноцепочечную молекулу ДНК в замкнутой (кольцевой) форме, имеются представители, у которых эта молекула является незамкнутой (линейной) структурой и также может быть двухцепочечной либо одноцепочечной. В случае РНК-содсржащих вирусов известны как одноцепочечные, так и двухцепочечные варианты молекул РНК. Размеры хромосом таких вирусов значительно меньше, чем у большинства ДНК-co держащих вирусов, и чаше всего варьируют в пределах от 3 000 до 7 000 рибонуклеотидов.

Молекулы вирусных ДНК как правило имеют длину от 0,5 до 100 микрометров (мкм), тогда как длина вирионов обычно колеблется от 0,02 до 0,3 мкм. Столь явное несоответствие между размерами генетического материала и вмещающего его белкового капсида устраняется путем многократного закручивания молекулы ДНК вокруг оси ее спирали, что приводит к образованию значительно более короткой по длине суперспирализованной (суперзакрученной) структуры, формирующей хромосому вируса (рис. 5.32).

Супсрспирализованная молекула ДНК

Рис. 5.32. Супсрспирализованная молекула ДНК: а - принцип строения суперзакрученной молекулы ДНК, превращающейся в открытую кольцевую форму при разрыве одной цепочки молекулы; б - электронная микрофотография открытой и закрытых молекул ДНК бактериофага

В результате образования супервитков линейные размеры вирусной хромосомы оказываются в несколько сотен раз меньше, чем размеры составляющей ее ДНК. Это наглядно демонстрирует электронно-микроскопическое изображение бактериофага (фага) Т2 после его последовательной обработки гипертоническим солевым раствором и дистиллированной водой (осмотического шока) (рис. 5.33). Такая обработка привела к разрыву белкового капсида фага и освобождению его молекулы ДНК, которая ранее была плотно упакована в хромосомную структуру. Измеренная длина этой молекулы составила около 50 мкм, что более чем в 500 раз превышает размеры фаговой головки, в которой она находилась.

Электронная микрофотография молекулы ДНК бактериофага Т2, подвергнутого действию осмотического шока

Рис. 5.33. Электронная микрофотография молекулы ДНК бактериофага Т2, подвергнутого действию осмотического шока

Весьма незначительные размеры геномов мелких вирусов позволяют им кодировать лишь единичные белки, синтезируемые метаболической системой клетки-хозяина, в которую проник генетический материал вируса.

Так, например, в РНК самого мелкого из известных вирусов, выделяемого при некрозе листьев табака, которая состоит из 1 200 рибонуклеотидов, был обнаружен лишь один структурный ген, кодирующий белок оболочки этого вируса. Вместе с тем ДНК мелкого фага <рХ174 (5,4 х 103 пар нуклеотидов) благодаря наличию в ней перекрывающихся генов кодирует 9 различных белков, обеспечивающих формирование зрелых фаговых частиц. С другой стороны, хромосомная ДНК достаточно крупного фага Т4 (1,8 х 105 пар нуклеотидов) могла бы содержать не менее 100 структурных генов среднего размера (идентифицировано более 40 белков этого фага, синтезируемых зараженными клетками Е. со И).

Вирусы обладают специфичностью в отношении клеток организмов- хозяев (бактерий, растений, животных, человека), в которых они могут размножаться. После проникновения генетического материала вируса в клетку в ней начинается процесс синтеза вирусных белков и нуклеиновой кислоты на основе генетической программы этого вируса и с помощью метаболической системы хозяина. При этом проникшая РНК ретровирусов служит матрицей для синтеза комплементарной вирусной ДНК по механизму обратной транскрипции, тогда как у других РНК-содержащих вирусов может происходить лишь копирование их первичного генетического материала (молекул РНК).

Возможны два основных варианта развития вируса в клетке-хозяине, которые в случае бактериальных фагов принято называть литическим н лизогенным циклами (рис. 5.34). Развитие вирулентных вирусов (фагов) обычно происходит только по литическому пути, связанному с синтезом компонентов вирусных частиц (белков, нуклеиновой кислоты), сборкой ви- рионов и последующим разрушением (лизисом) клетки-хозяина. Однако для умеренных (латентных) вирусов, примером которых является бактериофаг X, возможен и второй вариант развития, состоящий в лизогенизации клетки-хозяина (рис. 5.34). При этом ДНК вируса интегрируется в хромосому хозяина по механизму сайт-специфической рекомбинации и существует в ней в форме провируса (профага), реплицируясь и передаваясь в процессе клеточного деления дочерним клеткам как составная часть хромосомы материнской клетки. Вместе с тем под влиянием ряда индуцирующих факторов (ультрафиолет, ионизирующая радиация, различные химические агенты и др.) происходит выход вируса из интегрированного состояния, т. е. из формы провируса (профага), в автономное состояние, что приводит к его размножению и лизису клетки-хозяина (рис. 5.34). Иными словами, возможен переход с пути лизогенизации на литический путь развития вируса и обратно. Аналогичные пути развития известны и в случае ряда вирусов эукариотических клеток, в том числе для ретровируса иммунодефицита человека, являющегося причиной возникновения СПИДа.

Два варианта возможного развития умеренного фага X в клетках Е. coli

Рис. 5.34. Два варианта возможного развития умеренного фага X в клетках Е. coli

В отличие от вирусов хромосома бактериальной клетки содержит молекулу ДНК лишь одного типа, а именно кольцевую двухцепочечную ДНК гораздо более значительных размеров (1 000-2 000 мкм длиной). Поскольку у бактерий нет настоящего ядра, то их генетический материал организован в виде ядерноподобной структуры (нуклеоида), располагающейся в цитоплазме клетки. Каждому нуклеоиду соответствует одна хромосома, т. е. бактерии являются гаплоидными организмами.

Как и у вирусов, линейные размеры генетического материала бактерий явно не соответствуют размерам структурного образования, в котором он находится. Так, например, типичные клетки Е. coli имеют форму палочек длиной 1-5 мкм и толщиной 0,4-0,8 мкм. Это несоответствие также устраняется путем супере пир ализации молекулы ДНК, формирующей хромосому нуклеоида.

В процессе упаковки молекулы участвуют несколько ДНК-связывающих белков, обнаруженных в клетках Е. coli, часть которых по своему аминокислотному составу напоминают гистоны из хромосомы эукариот.

Кроме того, в нуклеоидах этих бактерий найдена РНК, роль которой остается неясной. Посте обработки нуклеоидного комплекса Е. coli ферментами, разрушающими белки и РНК, возникают открытые кольцевые формы хромосомной ДНК, которые изучают с помощью электронномикроскопических и радиобиологических методов (рис. 5.35). При этом можно определить длину молекул.

Радиоавтограф кольцевой молекулы ДНК хромосомы Е. coli. Виден участок начавшейся репликации молекулы

Рис. 5.35. Радиоавтограф кольцевой молекулы ДНК хромосомы Е. coli. Виден участок начавшейся репликации молекулы

Размеры хромосомного генома бактерий позволяют им иметь более значительное, чем у вирусов, количество структурных генов для синтеза белков, обеспечивающих все процессы жизнедеятельности этих организмов. Так, например, хромосомная ДНК клеток Е. coli содержит 4,2 х 10б пар нуклеотидов, что было бы достаточным для формирования примерно 4 000 генов среднего размера. К настоящему времени в единственной кольцевой хромосоме (одной группе сцепления) этих бактерий идентифицировано более 650 разных генных локусов.

В хромосомах бактерий, вызывающих инфекционные заболевания животных и человека, обнаружены различные гены, детерминирующие патогенные свойства этих бактерий (формирование антигенных структур, синтез токсинов, способность разрушать эритроциты крови и др.). Значительный клинический интерес представляют также гены устойчивости бактерий к антибиотикам и другим антибактериальным препаратам.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>