3. Гетерогенность днк эукариот по нуклеотидному составу
У эукариот описаны некоторые особенности структуры ДНК, обусловленные спецификой нуклеотидного состава отдельных последовательностей. Так, встречаются расположенные в одной цепи блоки нуклеотидов, состоящих из нескольких десятков пуринов. Тогда комплементарная часть в другой цепи ДНК будет представлена пиримидинами. Подобные последовательности названы полипуриновыми (полипиримидиновыми) блоками.
Другой вид гетерогенности связан с неравномерностью содержания по длине ДНК пар аденин-тимин (АТ-пары) и гуанин-цитозин (ГЦ-пары). Так, в геноме дрозофилы периодически встречаются последовательности длиной примерно в 100 п. н., на 85 % состоящие из АТ-пар. Поскольку аденин связан с тимином двумя водородными связями, а гуанин с цитозином - тремя, дестабилизирующие ДНК-воздействия будут легче инициировать расплетание дуплексов ДНК с образованием участков частичной денатурации в АТ-богатых областях. Поэтому последние рассматриваются в качестве сайтов инициации элементарных генетических процессов: репликации, транскрипции и рекомбинации.
В заключение отметим, что перечисленные выше особенности молекулярной структуры ДНК эукариот не были предсказаны ни классической генетикой (за исключением, пожалуй, свойств гетерохроматина), ни моделью двойной спирали Уотсона и Крика. Они были раскрыты при исследовании структуры геномов различных эукариотических организмов физико-химическими методами. Функции большинства повторяющихся и уникальных последовательностей пока не определены. Однако вполне вероятно, что сама по себе молекулярная структура ДНК эукариот служит зеркалом генетической регуляции и эволюции высших животных и растений.
4. Хроматин и компактизация хромосом
Основой генетического аппарата эукариот являются линейные хромосомы. В основе хромосомы лежит линейная двуспиральная правозакрученная молекула ДНК, связанная со специфическими белками-гистонами. Известно 5 типов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. В ядрах эритроцитов птиц Н1 частично замещается на Н5. У дрожжей отсутствует Н1, а у некоторых видов хламидомонад гистоны вообще не обнаружены. Гистоны отсутствуют также у мезокариот (одноклеточных организмов - динофлагеллят, ночесветок), в сперматозоидах некоторых рыб. Отсутствие гистонов в перечисленных случаях рассматривается как вторичное явление. Гистоны Н2 - Н4 эволюционно устойчивы: из 102 аминокислот Н4 наблюдаются различия лишь по 1-2 аминокислотам у высших растений, рыб и млекопитающих. Гистон Н1 весьма вариабелен, и даже в тканях одного организма встречается 3 - 6 вариантов этого белка.
Гистоны Н2 - Н4 образуют белковое ядро из 8 полипептидов (каждый гистон повторяется 2 раза). Вокруг этого ядра уложен участок ДНК длиной 140 пн, образующий 1,75 витка по периферии. Такая структура называется нуклеосома. Отдельные нуклеосомы - это дисковидные частицы диаметром около 10 нм. Закручивание ДНК вокруг нуклеосомы уменьшает ее длину в семь раз. Участки ДНК между нуклеосомами длиной 15-10 пн называются линкерами (связками). Структура линкеров стабилизируется с помощью гистона Н1.
Последовательность нуклеосом образует или еще одну спираль диаметром 25-20 нм (соленоид), или последовательность нуклеосомных группировок - нуклеомеров. Эти высшие структуры образуют петли или домены. Конденсация ДНК в структуре соленоида дополнительно (к нуклеосомному уровню) уменьшает ее длину в шесть раз. В интерфазных хромосомах путем еще одного цикла конденсации соленоиды образуют полые трубочки диаметром 200 нм, что уменьшает длину ДНК еще в 18 раз.
Описанная структура хромосом у эукариот обеспечивает их устойчивость и недоступность основной массы ДНК для химических мутагенов. При транскрипции, т.е. синтезе РНК, и репликации происходит деспирализация хромосом, что обеспечивает возможность контакта определенных участков ДНК с ДНК-полимеразой или РНК-полимеразой.
Определенные участки хромосом в ядре тесно связаны с ядерной мембраной. Всегда связаны с мембраной концевые (теломерные) участки и некоторые другие (интерстициальные) участки. Такие связи обеспечивают определенную структуру ядра и защищают хромосомы от разрушения ферментами-нуклеазами. Ю. С. Ченцовым и его сотрудниками открыта специальная частица, обеспечивающая связь хроматина с ядерной мембраной, которую предложено называть анкоросомой (якорной частицей).
В метафазе вследствие дальнейшей конденсации возникает большая образованная дезоксинуклеопротеидом спираль диаметром около 600 нм. В результате строго упорядоченной иерархии спиралей, в основе которой лежит нуклеосома, в митозе и мейозе хромосомы эукариот совершают цикл компактизации - декомпактизации. Следствие этого цикла - укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключенной в них молекулы ДНК в 103-104 раз. По-видимому, цикл компактизации-декомпактизации регулируется белками хроматина негистонового типа. Возможно, что некоторые из них выполняют и структурную роль, образуя элементы каркаса метафазных хромосом.