Амплифицированные гены Амплификация генов рибосомной рнк

Одна из стратегий для транскрипции огромного количества определенной РНК заключается в образовании существенно большего количества копий данного гена. Этой стратегией пользуются лишь в редких случаях и главным образом для амплификации генов рибосомной РНК у насекомых и амфибий, а также генов хориона (оболочки яйца) у некоторых насекомых, например у дрозофилы. Во многих отношениях рибосому можно рассматривать как продукт дифференцированной клетки ооцита. Это особенно справедливо для амфибий, ооциты которых содержат приблизительно в 200 000 раз больше рибосом, чем обычные соматические клетки. Такое число рибосом для одной клетки феномен действительно впечатляющий. В самом деле, зиготы, в которых отсутствуют ядрышковые организаторы, осуществляющие синтез рибосомной РНК, продолжают развитие, используя запасенные рибосомы вплоть до стадии самостоятельно питающегося головастика (на этой стадии личинки все же погибают из-за отсутствия необходимых для роста рибосом).

В ооцитах амфибий синтез рибосомной РНК происходит в течение продолжительной профазы первого деления мейоза, а именно на длящейся многие месяцы стадии диплотены после спаривания и репликации гомологичных хромосом.

Наиболее изучены гены рибосомной РНК Xenopus laevis. Эти гены изображены на рис. 11.8. За 5'-лидерной последовательностью расположена последовательность, кодирующая 18S-pPHK. Далее следуют транскрибируемый спейсер, ген для 5.8SрРНК, другой транскрибируемый спейсер и затем ген для 28S-pPHK. Внутри этих генов нет интронов, и весь этот набор транскрибируется в 40S-предшественник рРНК, который подвергается затем процессингу с образованием трех рРНК (5S-pPHK синтезируется на другом участке генома; гены 5S-pPHK представлены в геноме тысячами копий и не амплифицированы¹).

Механизм амплификации рибосомных генов

В диплоидной клетке лягушки имеются две гомологичные области генов больших рРНК. Каждая область содержит примерно 450 копий единиц

¹ Повторяющиеся гены – это гены, которые всегда присутствуют в геноме в большом числе копий; этот признак наследуется. Гены 5S-pPHK, представленные тысячами копий на геном, составляют набор повторяющихся генов. Амплифицированные гены – это гены, присутствующие в количестве многих копий только в определенных клетках. Эта множественность не наследуется. Гены для 28S-, 18S- и 5,8S-pPHК – повторяющиеся (около 900 раз на 1 клетку) и амплифицированные (в ооците).

Гилберт с. Биология развития: в 3-х т. Т. 2: Пер. С англ. – м.: Мир, 1994. – 235 с.

116_______________ ГЛАВА 11_______________________________________________________________________________

Рис. 11.8. Организация генов для рибосомных 18S-, 5,8S- и 28S-РНК у амфибий. Каждая единица транскрипции (ET) фланкирована участками нетранскрибируемых спейсеров (НТС). Единица транскрипции содержит транскрибируемую лидерную последовательность (ТЛ), ген 18S-pPHK, транскрибируемый спейсер (ТС), ген 5,8S-pPHK, другой транскрибируемый спейсер и ген 28S-pPHK. Под диаграммой показана электронная микрофотография тандемно расположенных генов рРНК, активно транскрибируемых в ооците тритона. В ходе транскрипции размер РНК постепенно увеличивается и одновременно синтезируется большое количество транскриптов (По Watson, 1976; фотография с любезного разрешения O.L.. Miller, Jr.j

транскрипции, описанных в предыдущем разделе, и внутри каждой области эти копии разделены не транскрибируемыми спейсерами. Все наборы генов рРНК на хромосоме идентичны, а нетранскрибируемые спейсеры даже на одной хромосоме разные по длине на разных участках. Можно было бы ожидать, что ооцит на стадии диплотены (когда репликация ДНК уже закончилась) будет содержать всего 4 х 450, или приблизительно 1800 генов, кодирующих рРНК. Но этого явно недостаточно! Вместо нескольких тысяч копий обнаруживается около миллиона генов рРНК. Видны не четыре ядрышка, а тысячи (рис. 11.9). Эти добавочные ядрышки лежат внутри ядра, но не присоединены к какой-либо хромосоме, как обычные ядрышки.

Сравнивая эффективность гибридизации радиоактивной 28S-pPHK ооцита с ДНК соматической клетки, исследователи определили, что в ооците генов рРНК в 1500 раз больше, чем обычно. Если каждое ядрышко содержит 450 копий генов, то общее число генов для предшественников больших рРНК в ооците амфибий можно оценить как 6,8 х 10⁵. Амплификацию можно изучать также с помощью метода центрифугирования в градиенте хлорида цезия. При центрифугировании фрагментированной ДНК в таком градиенте фрагменты седиментируют в соответствии со своей плавучей плотностью. Плавучая плотность ДНК из соматических клеток X. laevis составляет в среднем 1,699 г см^–3. Распределение по плотности для фрагментированной ДНК из ооцитов несколько отличается (рис. 11.10). В этом случае наблюдается второй или «сателлитный» пик, обусловленный содержанием ДНК из амплифицированных генов рРНК. Состав осно-

Рис. 11.9. Ядро, изолированное из ооцита Xenopus laevis. Темно-окрашенные пятна представляют собой экстрахромосомные ядрышки. (Из Brown, Dawid, 1968; фотография с любезного разрешения D.D. Brown.)