БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 3

Часть IV ИНФОРМАЦИЯ

ГЛАВА 29. ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ ХРОМОСОМЫ И ВЫРАЖЕНИЕ ГЕНОВ У ЭУКАРИОТ

Эукариотическая клетка содержит гораздо больше генетической информации, чем прокариотическая. Например, в клетке человека в 1000 раз больше ДНК, чем в клетке Е. coli, и примерно в 100000 раз больше, чем в одном вирионе фага X. Это изобилие ДНК наделяет эукариот большими потенциальными возможностями, которых нет у прокариот. Другое отличие состоит в том, что ДНК высших организмов ассоциирована с основными белками - гистонами, а хромосомы низших организмов таких белков не содержат. Предназначение этих основных белков - упаковывать ДНК, с тем чтобы при контурной длине, равной многим сантиметрам, она могла бы поместиться в объеме диаметром несколько микрометров. Характерная морфология эукариотических хромосом, которую легко наблюдать в световом микроскопе, показывает, что они организованы значительно сложнее, чем геномы прокариотических клеток. К тому же форма эукариотических хромосом резко меняется в ходе клеточного цикла. Еще одна важная особенность, которая собственно и отличает эукариот от прокариот, состоит в том, что эукариотические хромосомы окружены ядерной мембраной. Этой мембраны у прокариот нет, равно как нет и других внутренних мембран. Благодаря наличию мембраны транскрипция и трансляция у эукариот разделены во времени и в пространстве, тогда как у прокариот они тесно сопряжены. В ядрах высших организмов первичные транскрипты подвергаются значительной модификации, расщепляются и их фрагменты соединяются. Лишь небольшая часть синтезированных в ядре РНК выходят в цитозоль в виде мРНК. Очевидно,

что у эукариот выражение (экспрессия) генов осуществляется значительно более сложным путем, чем у прокариот. Исследования в этой области быстро развиваются, поскольку мы научились выделять и клонировать гены эукариот, определять в них последовательность нуклеотидов и осуществлять их выражение в хорошо изученных системах. По всему чувствуется, что мы находимся на пороге раскрытия одной из важнейших проблем биологии — механизма клеточной дифференцировки.

Рис. 29.1. Фазово-контрастная микрофотография хромосомы типа ламповой щетки из ооцита

29.1. Эукариотическая хромосома содержит одну молекулу двухспиральной ДНК

Можно ли утверждать, что хромосома содержит одну длинную молекулу ДНК? В течение многих лет на этот вопрос было трудно ответить, так как очень длинные молекулы ДНК невероятно чувствительны к разрыву под действием сил сдвига. Бруно Зимм (Bruno Zimm) решил эту проблему с помощью метода вязкостной эластометрии, позволяющего измерять длину самых крупных молекул ДНК в смеси. Молекулы ДНК растягивают в потоке жидко - сти, и затем им дают свернуться в нормальное состояние. Время, за которое свертывается половина молекул, зависит от их молекулярной массы. Клетки плодовых мушек лизировали в камере для измерений, чтобы избежать разрывов ДНК при переносе образцов. Нуклеазы инактивировали, инкубируя образцы в присутствии детергента при 65°С. Кроме того, для гидролиза связанных с ДНК белков добавляли проназу.

Масса самых крупных молекул ДНК в полученной смеси составляла 41 • 10⁶ кДа. Эта величина хорошо согласуется с известным содержанием ДНК в самой большой хромосоме Drosophila melano-gaster - 43 • 10⁶ кДа. Превосходное совпадение результатов наблюдалось также в случае мутанта с транслокацией, затрагивающей самую большую хромосому. В этой хромосоме содержится дополнительный кусок ДНК, благодаря которому содержание ДНК в ней достигает 59 • 10⁶ кДа. Измеренное количество ДНК в этой молекуле составило 58 • 10⁶ кДа. Радиоавтографы ДНК D. melanogaster (рис. 29.2) подтверждают существование очень длинных молекул ДНК. Эти исследования показали, что хромосома дрозофилы содержит одну непрерывную молекулу ДНК. Кроме того, эта молекула ДНК линейная и неразветвленная.

Рис. 29.2. Радиоавтограф молекулы ДНК Drosophila melanogaster. Контурная длина этой ДНК равна 1,2 см

29.2. Эукариотическая ДНК прочно связана с основными белками - гистонами

ДНК эукариотических хромосом находится не в свободном виде, а прочно связана с группой небольших основных белков, называемых гистонами. На долю гистонов приходится около половины массы эукариотических хромосом; вторую половину составляет ДНК. Этот нуклеопротеиновый материал хромосомы называется хроматином. Если обработать хроматин солью или разбавленной кислотой, гистоны и ДНК можно диссоциировать. Образовавшуюся смесь можно затем разделить с помощью ионообменной хроматографии. Гистоны подразделяются на пять типов, обозначаемых соответственно H1, H2A, Н2В, Н3 и Н4. Они имеют массу от 11 до 21 кДа (табл. 29.1). Удивительная особенность гистонов - высокое содержание положительно заряженных боковых цепей: примерно каждый четвертый остаток - лизин или аргинин.

Благодаря посттрансляционным модификациям определенных боковых цепей каждый гистон существует в нескольких формах. Например, лизин-16 гистона Н4 может быть ацетилирован. Кроме того, гистоны могут быть метилированы, ADP-рибозилированы и фосфорилированы. Изменения заряда, способности к образованию водородных связей и формы молекул гистонов в результате таких ковалентных модификаций могут играть важную роль в регуляции доступности ДНК для репликации и транскрипции.

Таблица 29.1. Гистоны