Молекулярные механизмы генетических процессов. Избранные лекции по курсу ''Генетика с основами селекции'': Учебное пособие

М и ни сте р ство о б р а зо ва ни я Ро сси йско й Ф е де р а ци и В О РО Н ЕЖ СКИ Й ГО СУ Д АРСТВ ЕН Н Ы Й У Н И В ЕСИ ТЕТ

М О Л ЕК У Л Я РН Ы ЕМ ЕХ А Н И ЗМ Ы Г ЕН ЕТ И Ч ЕС К И Х П РО Ц ЕС С О В И ЗБРАН Н Ы ЕЛЕКЦ И И по кур су“ Ге не ти ка с о сно ва ми се ле кци и ” У ч ебное п особи е С пеци а ль н о ст ь 020201 – би о ло ги я

В о р о не ж 2004

2

У тве р ж де но на уч но -ме то ди ч е ски м со ве то м б и о ло го -по ч ве нно го ф а куль те та 27 о ктяб р я 2004 го да , пр о то ко л№ 21

Авто р ы : Буто р и на А.К. М а ш ки на О .С.

У ч е б но е по со б и е по дго то вле но на ка ф е др е ге не ти ки , се ле кци и и те о р и и эво лю ци и б и о ло го -по ч ве нно го ф а куль те та В о р о не ж ско го го суда р стве нно го уни ве р си те та Ре ко ме ндуе тся для студе нто в б и о ло го -по ч ве нно го ф а куль те та дне вно й и за о ч но й ф о р мы о б уч е ни я

3

СО Д ЕРЖ АН И Е В В ЕД ЕН И Е. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Т ема 1. С овр еменноепр едставлениео гене. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. И сто р и я р а зви ти я пр е дста вле ни я о ге не . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Ти пы и стр уктур а ге но в . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. М а тр и ч на я а кти вно сть ге но в . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Ре пли ка ци я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.1. П о луко нсе р ва ти вны й спо со б р е пли ка ци и Д Н К . . . . . . . . 1.3.1.2. Спо со б ы р е пли ка ци и Д Н К упр о ка р и о т. . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.3. Ампли ф и ка ци я ге но в р РН К уэука р и о т. . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.4. М е х а ни зм р е пли ка ци и Д Н К. Ре пли ка ци о нна я ви лка . . . . 1.3.1.5.О со б е нно сти р е пли ка ци и ко нце вы х уч а стко в ли не йны х мо ле кул Д Н К эука р и о т. Те ло ме р ы и те ло ме р а за . . . . . . . . 1.3.2. Тр а нскр и пци я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.1. П р о це сси нг и спла йси нг мРН К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.2. Аль те р на ти вны й спла йси нг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.3. Ко ди р о ва ни е ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.4. П ути пе р е но са ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и в кле тке . . . . . . 1.3.2.5. О б р а тна я тр а нскр и пци я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.6. Ко нф о р ма ци о нны е ма тр и цы (“ б е лко ва я на сле дстве нно сть ”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3. Тр а нсляци я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Т ема 2. Регуляция действия генов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. О пе р о нна я си сте ма р е гуляци и де йстви я ге но в упр о ка р и о т. . . . . . 2.2. Ка ска дны й ти п р е гуляци и экспр е сси и ге но в уэука р и о т. . . . . . . . 2.2.1. Ре гуляци я а кти вно сти ге но в на ур о вне тр а нскр и пци и . . . . . . 2.2.2. Ре гуляци я а кти вно сти ге но в на ур о вне пр о це сси нга мРН К. . . 2.2.3. Ре гуляци я а кти вно сти ге но в на ур о вне тр а нсляци и . . . . . . . . . 2.2.4. Ре гуляци я кле то ч но го ци кла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Т ема 3. Репар ация ДН К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Ф о то р е а кти ва ци я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Э ксци зи о нна я р е па р а ци я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. П о стр е пли ка ти вна я р е па р а ци я (П РР) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. SOS-р е па р а ци я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Ре па р а ци я не спа р е нны х о сно ва ни й (ми смэтч -р е па р а ци я) . . . . . 3.6. Н а сле дстве нны е б о ле зни ч е ло ве ка , связа нны е с де ф е кта ми си сте м р е па р а ци и Д Н К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ре ко ме ндуе ма я ли те р а тур а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 4 4 11 19 19 20 21 22 23 24 26 29 30 31 34 35 36 40 44 44 48 50 58 58 59 61 63 64 65 66 67 69 72

4

В В ЕД ЕН И Е Ра зви ти е ге не ти ки в на сто яще е вр е мя о суще ствляе тся сто ль б ы стр ы ми те мпа ми , ч то са мы е со вр е ме нны е уч е б ни ки по не ко то р ы м р а зде ла м ста но вятся уж е уста р е вш и ми . Э то ка са е тся в о сно вно м р а зде ло в мо ле куляр но й ге не ти ки . П о это му, и зда ва я да нно е по со б и е , на м х о те ло сь б ы о зна ко ми ть студе нто в с по сле дни ми до сти ж е ни ями на уки . В связи с эти м мы и спо ль зо ва ли пуб ли ка ци и на уч ны х ж ур на ло в по сле дни х ле т. Кр о ме то го , ле кци о нны х ч а со в по о б ще му кур су “ Ге не ти ка с о сно ва ми се ле кци и ” в В о р о не ж ско м го суда р стве нно м уни ве р си те те вы де ле но вдво е ме нь ш е , ч е м, на пр и ме р , и х о тво ди тся в М о ско вско м, Са нкт-П е те р б ур гско м и Н о во си б и р ско м уни ве р си те та х . Э то за тр удняе тб о ле е по лно е и зло ж е ни е ма те р и а ла ле кто р о м, пе р е кла ды ва я о зна ко мле ни е со мно ги ми ф унда ме нта ль ны ми ге не ти ч е ски ми пр о це сса ми и явле ни ями на са мо сто яте ль ную р а б о тустуде нто в. М ы до по лни ли и зло ж е ни е р яда р а зде ло в в кла сси ч е ски х уч е б ни ка х , в ч а стно сти , И .Ф . Ж и муле ва (Ж и муле в И .Ф . О б ща я и мо ле куляр на я ге не ти ка / И .Ф . Ж и муле в.- Н о во си б и р ск: И зд-во Н о во си б . ун-та , 2002.- 458 с.). Э то ка са е тся, на пр и ме р , ма тр и ч ны х пр и нци по в пе р е да ч и ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и . Д р уги е р а зде лы мы по ста р а ли сь и зло ж и ть б о ле е до х о дч и во , по ско ль кусч и та е м, ч то сти ль и зло ж е ни я это го , в це ло м о ч е нь х о р о ш е го и со вр е ме нно го уч е б ни ка , в р яде случ а е в тр удно во спр и ни ма е тся. Д а нно е по со б и е мо ж е т б ы ть по ле зны м для студе нто в и а спи р а нто в пр и по дго то вке к экза ме на м по ге не ти ке и о б ще й б и о ло ги и , а та кж е для пр е по да ва те ле й, и нте р е сую щи х ся пр о б ле ма ми со вр е ме нно й ге не ти ки . Т ема1. С О В РЕМ ЕН Н О Е П РЕДС Т А В Л ЕН И Е О Г ЕН Е 1.1. И ст ори я разви т и я п редст авлени я огене Те о р и я ге на – это це нтр а ль на я пр о б ле ма ге не ти ки . Н а пр о тяж е ни и все й и сто р и и суще ство ва ни я ге не ти ки по няти е ге н не пр е р ы вно уто ч няло сь . В пе р вы е Г. М е нде ль в 1865 г. на о сно ва ни и р е зуль та то в сво и х о пы то в с р а сти те ль ны ми ги б р и да ми (го р о х о м) по стули р о ва л на ли ч и е ди скр е тны х на сле дстве нны х ф а кто р о в, пе р е да ва е мы х по то мка м о т р о ди те ле й с по мо щь ю по ло вы х кле то к. В 1909 г. эти “ на сле дстве нны е ф а кто р ы ” и ли “ на сле дстве нны е за да тки ” по луч и ли на зва ни е ген ы , да нно е и м В . И о га нсе но м. В 1902 – 1907 гг. У . Сэтто н и Т. Бо ве р и пр е дпо ло ж и ли связь ге но в с х р о мо со ма ми , а Т. М о р га н и е го ш ко ла (А. Сте р те ва нт, К. Бр и дж е с, Г. М е лле р ) до ка за ли это и ссле до ва ни ями с пло до во й муш ко й др о зо ф и ло й. О сно вны е пр е дста вле ни я о ге не б ы ли сф о р мули р о ва ны Т. М о р га но м в 1911 г. в р а мка х х р о мо со мно й те о р и и на сле дстве нно сти . Со гла сно это й те о р и и , ге н и ме е то сно вны е сво йства х р о мо со м (спо со б но сть к р е дупли ка ци и , к за ко но ме р но му р а спр е де ле ни ю в ми то зе и ме йо зе ), за ни ма е то пр е -

5

де ле нны й уч а сто к (ло кус) х р о мо со мы , являе тся е ди ни це й мута ци и (т.е . и зме няе тся ка к е ди но е це ло е ), е ди ни це й р е ко мб и на ци и (т.е . кр о сси нго ве р не пр о и сх о ди тв пр е де ла х ге на ) и е ди ни це й ф ункци и , т.е . ге н не де ли м. Ге ны р а спо ло ж е ны в х р о мо со ма х в ли не йно м по р ядке (ка к б усы на ни ти ), о б р а зуя в пр е де ла х ка ж до й х р о мо со мы о дну гр уппу сце пле ни я. Гр уппы сце пле ни я ге но в мо гутна р уш а ть ся кр о сси нго ве р о м, пр о и сх о дящи м ме ж ду го мо ло ги ч ны ми х р о мо со ма ми . О дна ко уж е в 30-е го ды XX ве ка А.С. Се р е б р о вски й и Н .П . Д уб и ни н до ка за ли ф а ктде ли мо сти ге на . С по мо щь ю р е нтге но вски х луч е й эти а вто р ы по луч и ли се р и ю мута ци й ге на scute (sc) у др о зо ф и лы , ко то р ы е вы зы ва ли о тсутстви е о пр е де ле нны х ще ти но к на е е те ле . И х о б о зна ч и ли ка к sc1, sc2, sc3 … sc13. П р и скр е щи ва ни и о со б е й, го мо зи го тны х по о пр е де ле нны м мута нтны м а лле лям в F1, у ге те р о зи го то тсутство ва ли то ль ко те ще ти нки , ко то р ы е б ы ли р е дуци р о ва ны у о б е и х го мо зи го т. Н а пр и ме р , е сли мута ци я sc1 вы зы ва ла р е дукци ю ще ти но к ABC, а sc2 BCD, то у ге те р о зи го ты sc1/sc2 о тсутство ва ли ще ти нки BC, а A и D и ме ли сь . Со зда ва ло сь впе ч а тле ни е , ч то р е ч ь и де то ч а сти ч но й ге те р о зи го тно сти , ко гда ч а сть мута нтны х а лле ле й, ко то р ы е о ка зы ва ю то ди на ко вы й ф е но ти пи ч е ски й эф ф е кт, о ка зы ва ю тся в го мо зи го тно м со сто яни и . Бы ло пр о а на ли зи р о ва но 13 р а зли ч ны х мута ци й в ло кусе scute. П р и и х со ч е та ни и на б лю да ла сь та ж е за ко но ме р но сть . Если эту за ко но ме р но сть пр е дста ви ть гр а ф и ч е ски , то о б р а зуе тся ка к б ы ле стни ца , ступе нями ко то р о й служ а тр а зли ч ны е а лле ли sc: sc1 ABC sc2 BCD sc3 CDE П о это му о пи са нно е явле ни е по луч и ло на зва ни е ст упен ч а т о го а ллели зма . В це ло м ж е мо ж но б ы ло го во р и ть о то м, ч то ге н ди скр е те н и мо ж е т мути р о ва ть о тде ль ны ми ч а стями (це нтр а ми ), и ме ть мно ж е ство а лле ль ны х ф о р м. Та ки м о б р а зо м, явле ни е мн о ж ест вен н о го а ллели зма по служ и ло о дни м и з пе р вы х до ка за те ль ств сло ж но го (це нтр о во го ) стр о е ни я, и ли де ли мо сти , ге на . В 1949 го дуМ . Гр и н и К. Гр и н по ка за ли де ли мо сть ге на lz (lozenge) у др о зо ф и лы по ср е дство м кр о сси нго ве р а . О ни по луч и ли ге те р о зи го ты lzBS/lzg, 0,1% по то мко в о тко то р ы х и ме ли ли б о но р ма ль ны е гла за , ли б о б о ле е си ль но е мута нтно е пр о явле ни е , ч е м лю б о й и з а лле ле й. Э то мо гло пр о и зо йти то ль ко в р е зуль та те кр о сси нго ве р а внутр и это го ге на . П о зж е б ы ло до ка за но , ч то не то ль ко ге н, но и лю б а я е го ч а сть мо ж е т б ы ть р а зде ле на кр о сси нго ве р о м, за тр о нута мута ци е й. В 1957 г. С. Бе нзе р и зуч и л то нкую стр уктур у ге на , пр о а на ли зи р о ва в се р и ю мута ци й ге на rII у ф а га Т4, и по ка за л, ч то е ди ни це й ф ункци и являе тся вся по сле до ва те ль но сть нукле о ти до в ге на (это та к на зы ва е мы й ци стр о н), е ди ни це й мута ци и являе тся па р а нукле о ти до в (муто н), а е ди ни це й р е ко мб и на ци и – о б ме н па р о й нукле о ти до в (р е ко н). О гр о мны й вкла д в по ни ма ни е стр уктур ы и ф ункци и ге на вне сли Д ж . Би дл и Э . Те йтум, ко то р ы е в на ч а ле 40-х гг. XX ве ка впе р вы е и ссле до ва ли

6

б и о х и ми ч е ски е мута ци и у х ле б но й пле се ни Neurospora crassa. Э ти и ссле до ва ни я по ка за ли , ч то мута ци и а уксо тр о ф но сти у гр и б а не йр о спо р ы пр е р ы ва ю тце пи ме та б о ли зма на ко нкр е тны х эта па х . П р и ч е м а лле ль ны е мута ци и все гда за тр а ги ва ю т о ди н и то т ж е эта п б и о си нте за . Н а о сно ве сво и х р е зуль та то в Би дл и Те йтум сф о р мули р о ва ли пр и нци п “ о ди н ге н – о ди н ф е р ме нт”, о зна ч а вш и й, ч то ка ж ды й ге н ко нтр о ли р уе т си нте з ка ко го -ли б о о пр е де ле нно го ф е р ме нта . П о здне е эта ф о р мули р о вка б ы ла уто ч не на “ о ди н ге н – о ди н по ли пе пти д”, т.к. ге н не все гда де те р ми ни р уе т си нте з це ло й б е лко во й мо ле кулы . У ж е в 30-х гг. уч е ны х и нте р е со ва л во пр о с: и з ка ко го ма те р и а ла по стр о е ны ге ны ? В 1928 г., а в б о ле е р а зве р нуто й ф о р ме в 1935 г. Н и ко ла й Ко нста нти но ви ч Ко ль цо в (гла ва мо ско вско й ш ко лы ге не ти ко в) вы дви нул ги по те зу мо ле куляр но й о р га ни за ци и ге на . У ч е ны й по стули р о ва л, ч то х р о мо со ма – ги га нтска я ма кр о мо ле кула , в ко то р о й ге ны пр е дста вле ны е е о тде ль ны ми р а ди ка ла ми . П р и ч е м, о н ф а кти ч е ски пр е дло ж и л ма тр и ч ны й пр и нци п во спр о и зве де ни я ге но в (до ч е р ни й ге н по являе тся в ви де мо ле куляр но й ко пи и и сх о дно го ге на - “ ка ж да я мо ле кула о тмо ле кулы ”). Еди нстве нна я о ш и б ка , ко то р ую сде ла л уч е ны й – все эти сво йства о н пр и пи сы ва л б е лка м, та к ка к нукле и но вы е ки сло ты б ы ли е ще ма ло и зуч е ны . В то вр е мя б ы ло о б ще пр и няты м пр е дста вле ни е , ч то ге не ти ч е ски зна ч и мы й ко мпо не нт х р о мо со м – это б е ло к, а не нукле и но ва я ки сло та . П о мо де ли Н .К. Ко ль цо ва дли нны е по ли пе пти дны е це пи о р га ни зо ва ны в двух це по ч е ч ную стр уктур у х р о ма ти ды . Э та стр уктур а , ка к пр е дпо ла га ло сь , стр о и тр ядо м с со б о й но вую и де нти ч ную стр уктур у. Э то б ы ла сво е го р о да ко нсе р ва ти вна я сх е ма р е пли ка ци и б е лко во й це пи . М о де ль Н .К. Ко ль цо ва пр и вле кла вни ма ни е не то ль ко у на с в стр а не , но и за р уб е ж о м. Э та и де я ле гла в о сно ву о ткр ы ти я Д ж . У о тсо на и Ф . Кр и ка . Ге не ти ч е ска я р о ль Д Н К б ы ла впе р вы е уста но вле на в о пы та х с ми кр о о р га ни зма ми . П е р вы е до ка за те ль ства р о ли Д Н К ка к ма те р и а ль но й о сно вы на сле дстве нно сти б ы ли по луч е ны в 1944 го ду О . Э йве р и , К. М а кЛе о до м и М . М а к-Ка р ти в о пы та х по тр а нсф о р ма ци и у б а кте р и й. Э то му пр е дш е ство ва ли о пы та Ф . Гр и ф ф и тса в 1928 го ду, ко то р ы й за р а ж а л мы ш е й сме сь ю а ви р уле нтно го ш та мма пне вмо ко кко в с уб и ты м на гр е ва ни е м ви р уле нтны м и на б лю да л ги б е ль мы ш е й и пр е вр а ще ни е , и ли тр а нсф о р ма ци ю , не ко то р ы х кле то к а ви р уле нтно го ш та мма в ви р уле нтны е . О . Э йве р и с со а вто р а ми уда ло сь уста но ви ть пр и р о ду тр а нсф о р ми р ую ще го а ге нта о пы та ми в усло ви ях пр о б и р о ч но й куль тур ы . О ни де йство ва ли на р а зны е пр о б и р ки со сме сь ю а ви р уле нтны х и уб и ты х на гр е ва ни е м ви р уле нтны х ш та ммо в пне вмо ко кко в ф е р ме нта ми Д Н К-а зо й, РН К-а зо й и пр о те а зо й. То ль ко пр и о б р а б о тке сме си Д Н К-а зо й тр а нсф о р ми р ую ща я спо со б но сть в сме си не на б лю да ла сь . Т.е . тр а нсф о р ми р ую щи м а ге нто м у пне вмо ко кко в б ы ла ДН К – де зо кси р и б о нукле и но ва я ки сло та , а сле до ва те ль но , и ме нно Д Н К со ста вляе то сно ву х р о мо со м и являе тся но си те ле м на сле дстве нно й и нф о р ма ци и .

7

Н е ско ль ко по зж е б ы ло по ка за но , ч то но си те ле м на сле дстве нно й и нф о р ма ци и у ви р усо в служ и т и х нукле и но ва я ки сло та : Д Н К – у Д Н Ксо де р ж а щи х ви р усо в (о пы ты А. Х е р ш и и М . Ч е йза , пр о ве де нны е в 1952 г. на б а кте р и о ф а ге Т2, за р а ж а ю ще м б а кте р и ю ки ш е ч но й па ло ч ки - Escherichia coli) и ли РН К – у РН К- со де р ж а щи х ви р усо в (экспе р и ме нты Х . Ф р е нке ля-Ко нр а та и Б. Зи нге р а , пр о ве де нны е в 1956 г. с ви р усо м та б а ч но й мо за и ки ). В сво и х о пы та х Х е р ш и и Ч е йз и нф и ци р о ва ли вна ч а ле ф а го м б а кте р и а ль ную куль тур у, в ср е ду для ко то р о й б ы ли до б а вле ны р а ди о а кти вны е и зо то пы 35S и 32P, по ме ти в та ки м о б р а зо м б е лко вую ч а сть ф а га (35S) и е го Д Н К (32P). За те м ме ч е ны м ф а го м и нф и ци р о ва ли о б ы ч ную куль тур у б а кте р и й. С по мо щь ю эле ктр о нно -ми кр о ско пи ч е ски х и ссле до ва ни й б ы ло уста но вле но , ч то ф а г пр и кр е пляе тся о тр о стко м к по ве р х но сти б а кте р и и , ли зи р уе т в это м ме сте по ве р х но сть б а кте р и а ль но й кле тки и впр ы ски ва е т внутр ь кле тки сво ю Д Н К. Бе лко ва я ж е о б о ло ч ка ф а га о ста е тся на по ве р х но сти б а кте р и и . Та ки е о б о ло ч ки по луч и ли на зва ни е «те не й» . Ре пли ка ци я ф а го вы х ч а сти ц и де тв кле тке б а кте р и и на ф а го во й Д Н К. П р и р а зде ле ни и це нтр и ф уги р о ва ни е м «те не й» о тб а кте р и а ль ны х кле то к по сле пр о ни кно ве ни я в ни х ф а го во й Д Н К р а ди о а кти вна я се р а б ы ла о б на р уж е на во ф р а кци и «те не й» , а ф о сф о р – во ф р а кци и б а кте р и й. В о пы та х Ф р е нке ля-Ко нр а та и Зи нге р а по луч е ны до ка за те ль ства то му, ч то РН К та кж е мо ж е тпр е дста влять ге не ти ч е ски й ма те р и а л. Ш та ммы РН Ксо де р ж а ще го ви р уса та б а ч но й мо за и ки (BTM) р а зли ч а ю тся а ми но ки сло тны м со ста во м б е лка . В и р усны е ч а сти цы р а зде ляли на РН К и б е ло к, а за те м р е си нте зи р о ва ли , сме ш и ва я РН К и б е ло к. О ни мо гли б ы ть та кж е р е си нте зи р о ва ны , е сли РН К пр и на дле ж а ла о дно му ш та мму В ТМ , а б е ло к др уго му (ги б р и дны е ви р усны е ч а сти цы ). П р и за р а ж е ни и р а сти те ль ны х кле то к та ки м ги б р и дны м ви р усо м по то мство ви р усо в и ме ло б е ло к, со о тве тствую щи й и сх о дно й РН К. Та ки м о б р а зо м, РН К, а не б е ло к р о ди те ль ско го (ги б р и дно го ) ш та мма о пр е де ляе тб е лко вы й со ста в и х а р а кте р ны е пр и зна ки по то мства , т.е . со де р ж и тне о б х о ди мую для это го ге не ти ч е скую и нф о р ма ци ю . И та к, б ы ла по ста вле на са ма я ва ж на я то ч ка в мо ле куляр но й б и о ло ги и и ге не ти ке : ге н - уч а сто к нукле и но во й ки сло ты (Д Н К и ли РН К). Н о и сти нна я пр и р о да ге но в б ы ла уста но вле на ли ш ь в се р е ди не XX ве ка . Э то яви ло сь вы да ю щи мся со б ы ти е м, по зво ли вш и м на зва ть XX ве к “ ве ко м кле то ч но го ядр а ”, ко гда а ме р и ка нски м ви р усо ло го м Д ж е ймсо м У о тсо но м и а нгли йски м ф и зи ко м Ф р е нси со м Кр и ко м б ы ла уста но вле на пр о стр а нстве нна я (тр е х ме р на я) стр уктур а Д Н К. Ра зр а б о та нна я и ми тр е х ме р на я мо де ль стр уктур ы Д Н К по зво ли ла по нять е е сво йства ка к ге не ти ч е ско го ма те р и а ла , т.е . ка к ма те р и а ль но го суб стр а та на сле дстве нно сти : 1) спо со б но сть ко ди р о ва ть на сле дстве нную и нф о р ма ци ю ; 2) спо со б но сть к са мо во спр о и зве де ни ю ; 3) спо со б но сть пр и о б р е та ть и зме не ни я и во спр о и зво ди ть и х . О ткр ы ти е стр уктур ы Д Н К У о тсо но м и Кр и ко м да ло о тве тср а зу на 2 со кр о ве нны е за га дки пр и р о ды : ка ки м о б р а зо м за ко ди р о ва на в мо ле куле Д Н К на сле дстве нна я и нф о р ма ци я и ка к о на пе р е да е тся по на сле дству.

8

Та йно пи сь на сле дстве нно сти о ка за ла сь уди ви те ль но пр о сто й. О на пр е дста вляла со б о й ли ш ь ко мб и на ци ю и з ч е ты р е х нукле о ти до в (A, T, G, C). Т.е . ге не ти ч е ски й а лф а ви тсо сто и твсе го ли ш ь и з ч е ты р е х б укв. В 1953 г. Д ж . У о тсо н и Ф . Кр и к, о б о б щи в все и ме ю щи е ся к то му вр е ме ни зна ни я, р а сш и ф р о ва ли пр о стр а нстве нную стр уктур у Д Н К и по ка за ли , ч то на сле дстве нна я и нф о р ма ци я в Д Н К за ко ди р о ва на в ви де по сле до ва те ль но сте й нукле о ти до в. Ра не е а б стр а ктно е по няти е ге н ка к е ди ни ца на сле дстве нно сти ста ло р е а ль но сть ю . Д ве гр уппы ф а кто в ле гли в о сно ву мо де ли Д Н К: 1) б и о х и ми ч е ски е да нны е , по луч е нны е Э . Ч а р га ф ф о м (в х о де о ч е нь то нки х и ссле до ва ни й вы со ко о ч и ще нны х о б р а зцо в Д Н К), в то м ч и сле е го зна ме ни то е пр а ви ло (пр а ви ло Ч а р га ф ф а ). О но гла си т- не за ви си мо о т ви до во й пр и на дле ж но сти о р га ни зма сумма пур и но вы х а зо ти сты х о сно ва ни й р а вна сумме пи р и ми ди но вы х о сно ва ни й, т.е . A+G=T+C; пр и ч е м ко ли ч е ство а де ни на все гда р а вно ко ли ч е ству ти ми на , а ко ли ч е ство гуа ни на – со де р ж а ни ю ци то зи на – A=T, G=C и ли A/T=1, G/C=1; это по зво ли ло сф о р мули р о ва ть пр и нци п ко мпле ме нта р но сти (вза и мно го со о тве тстви я, до по лне ни я) а зо ти сты х о сно ва ни й в мо ле куле Д Н К (A - T и G – C); 2) да нны е р е нтге но стр уктур но го а на ли за , по луч е нны е в Ло ндо нско м уни ве р си те те М . У и лки нсо м и Р. Ф р а нкли н. Ро за ли нд Ф р а нкли н ф а кти ч е ски да ла сни мо к (р е нтге но гр а мму), ко то р ы й по ка за л, ч то Д Н К – это дво йна я спи р а ль . Со гла сно мо де ли У о тсо на -Кр и ка , мо ле кула Д Н К пр е дста вляе т со б о й две пр а во за кр уч е нны е во кр уг о б ще й о си спи р а ли по ли нукле о ти дны е а нти па р а лле ль ны е (т.е . р а зно на пр а вле нны е ) це пи . Ка ж да я це пь и ме е тдва ко нца 5′ (на ч а ло ) и 3′ (ко не ц). 3′-ко нцу о дно й це пи со о тве тствуе т5′-ко не ц др уго й. М о но ме р а ми не ве твящи х ся по ли ме р ны х це пе й Д Н К являю тся нукле о ти ды , ко то р ы е со сто яти х о ста тка ф о сф о р но й ки сло ты , пе нто зно го са х а р а – де зо кси р и б о зы (со де р ж а ще го пять угле р о дны х а то мо в, ка ж ды й и з ко то р ы х нуме р уе тся ци ф р о й со ш тр и х о м: 1′, 2′, 3′, 4′, 5′) и о дно го и з ч е ты р е х а зо ти сты х о сно ва ни й: пур и но вы х (А,G) и ли пи р и ми ди но вы х (С,Т). (р и сунки 1 и 2). П о ско ль ку нукле и но вы е ки сло ты (Д Н К и РН К) со сто яти з мно го кр а тно по вто р яю щи х ся мо но ме р ны х зве нь е в – нукле о ти до в, и х на зы ва ю т по ли нукле о ти да ми . Д во йна я спи р а ль Д Н К и ме е тди а ме тр 20 нм, дли на о дно го ви тка (по лны й о б о р о тспи р а ли ) о ко ло 3,4 нм, ка ж ды й ви то к вклю ч а е т 10 па р нукле о ти до в. Н укле о ти ды со е ди не ны в це пи пр о ч ны ми ко ва ле нтны ми (ф о сф о ди эф и р ны ми ) связями . П р и ч е м, ка ж ды й о ста то к ф о сф о р но й ки сло ты связа н ф о сф о ди эф и р ны ми связями с 5′-угле р о до м о дно го о ста тка са х а р а и с 3′ угле р о до м др уго го о ста тка . О б е це пи со е ди не ны др уг с др уго м во до р о дны ми , о б р а зую щи ми ся ме ж дуа зо ти сты ми о сно ва ни ями внутр и спи р а ли . Д вуце по ч е ч на я мо ле кула Д Н К на по ми на е т по стр уктур е ви нто вую ле стни цу с пе р и ла ми в ви де са х а р о -ф о сф а тно го о сто ва и ступе нь ка ми в ви де а зо ти сты х о сно ва ни й двух пр о ти во по ло ж но на пр а вле нны х це пе й, скр е пле нны х сла б ы ми во до р о дны ми связями . П а р а A=T о б р а зуе тся путе м ф о р ми р о ва ни я двух во до р о дны х связе й, G≡C – тр е х .

9

Ри суно к 1. Сх е ма стр о е ни я мо ле кулы Д Н К по Д ж . У о тсо нуи Ф . Кр и ку

Ри суно к 2. Ко мпле ме нта р но сть и а нти па р а лле ль но сть це пе й в Д Н К

И ме нно со е ди не ни е о сно ва ни й в ко мпле ме нта р ны е па р ы (А-Ти G-C) о б е спе ч и ва е тр а вную ве ли ч и ну ступе не к ле стни цы Д Н К в си лу стр уктур но го со о тве тстви я эти х о сно ва ни й. Ко мпле ме нта р но сть (о т ла т. сomplementum –до по лне ни е ) - пр о стр а нстве нна я вза и мо до по лняе мо сть (вза и мно е со о тве тстви е ) по ве р х но сте й мо ле кул и ли и х ч а сте й, по дх о дящи х ка к клю ч к за мку, пр и во дяща я, ка к пр а ви ло , к о б р а зо ва ни ю вто р и ч ны х (на пр и ме р , во до р о дны х ) связе й ме ж ду ни ми . О б р а зо ва ни е во до р о дны х связе й ме ж ду пур и но вы ми и пи р и ми ди но вы ми о сно ва ни ями о б усло вле но и х пр о стр а нстве нны м со о тве тстви е м. П ур и ны – б о ле е кр упны е мо ле кулы , вклю ч а ю щи е два ко ль ца , пи р и ми ди ны – о дно . П ур и но вы е о сно ва ни я (А,G) не мо гут со ста ви ть па р ы , та к ка к и м не х ва ти т ме ста в це нтр е спи р а ли . Н а пр о ти в, пи р и ми ди но вы е о сно ва ни я (С,Т) сли ш ко м ма лы для о б р а зо ва ни я ме ж ду ни ми во до р о дны х связе й. Т.е па р а и з двух пур и но в б ы ла б ы сли ш ко м ве ли ка , а па р а и з двух пи р и ми ди но в – сли ш ко м ма ла для укла дки в пр а ви ль ную спи р а ль мо ле кулы Д Н К. И ме нно со е ди не ни е о сно ва ни й в па -

10

р ы по пр и нци пу ко мпле ме нта р но сти (A с T) (G с C) о б е спе ч и ва е тр а вную ве ли ч и ну ступе не к ле стни цы Д Н К. Э то и со ста вляе т суть пр и нци па ко мпле ме нта р но сти . Ко мпле ме нта р но сть а зо ти сты х о сно ва ни й в мо ле куле Д Н К пр е дста вляе тгла вную сущно сть мо ле куляр ны х о сно в на сле дстве нно сти , и б о по зво ляе тпо нять , ка к пр и де ле ни и кле тки си нте зи р ую тся то ж де стве нны е мо ле кулы Д Н К. Н а пр и нци пе ко мпле ме нта р но сти о сно ва ны все ф унда ме нта ль ны е пр о це ссы ж и зне де яте ль но сти кле тки : р е пли ка ци я, тр а нскр и пци я, тр а нсляци я, р е па р а ци я. Т.е . ма тр и ч на я а кти вно сть ге на б а зи р уе тся на и спо ль зо ва ни и пр и нци па ко мпле ме нта р но сти пр и сч и ты ва ни и и р е а ли за ци и на сле дстве нно й и нф о р ма ци и . Еди ни ца ми и зме р е ни я дли ны мо ле кулы Д Н К являю тся: па р ы нукле о ти до в (пн), ты сяч и па р нукле о ти до в – ки ло б а зы (кб ), ми лли о ны па р нукле о ти до в – ме га б а зы (мб ), пи ко гр а ммы (пг - 1⋅10-12г), да ль то н (Д а -1,67-24г). 1пг = 0,965⋅109пн = 6,1⋅1011Д а . Н а сле дстве нна я и нф о р ма ци я у б о ль ш и нства о р га ни змо в за пи са на в ви де по сле до ва те ль но сти нукле о ти до в в мо ле кула х Д Н К, со ста вляю щи х о сно ву и х х р о мо со м, а у не ко то р ы х ви р усо в в по сле до ва те ль но сти нукле о ти до в мо ле кул РН К. В о тли ч и е о т Д Н К мо ле кулы РН К, ка к пр а ви ло , о дно ни те вы е . П о стр о е ны о ни а на ло ги ч но ни тям Д Н К, то ль ко в са х а р о -ф о сф а тны й о сто в вх о ди т р и б о за , а вме сто ти ми на в и х со ста в вх о ди т др уго й пи р и ми ди н ур а ци л (U). О дна ко ге но м о тде ль ны х ви р усо в пр е дста вляе тсо б о й о дно це по ч е ч ны е Д Н К и ли двух це по ч е ч ны е РН К, ко то р ы е мо гути ме ть ли не йную ф о р муи ли за мкнуты в ко ль цо . С по зи ци й со вр е ме нно го ур о вня р а зви ти я на уки ген – это эле ме нта р на я е ди ни ца на сле дстве нно й и нф о р ма ци и , за ни ма ю ща я спе ци ф и ч е ски й ло кус на х р о мо со ме и ко нтр о ли р ую ща я вы по лне ни е о пр е де ле нно й ф ункци и в о р га ни зме ; е ди ни ца ф ункци и , о ка зы ва ю ща я о ди н и ли не ско ль ко спе ци ф и ч е ски х эф ф е кто в на ф е но ти п о р га ни змо в путе м ко нтр о ля за си нте зо м о пр е де ле нно й мо ле кулы по ли пе пти да . Ген – ф ункци о на ль но не де ли ма я е ди ни ца на сле дстве нно й и нф о р ма ци и , пр е дста вляю ща я со б о й уч а сто к мо ле кулы Д Н К (р е ж е РН К у ви р усо в) с о пр е де ле нно й по сле до ва те ль но сть ю нукле о ти до в, ко ди р ую щи й си нте з по ли пе пти да , тРН К, ли б о р РН К. Со во купно сть ге но в о тде ль но го о р га ни зма (и нди ви дуума ), на х о дящи х ся ме ж ду со б о й в р а зли ч но го р о да вза и мо де йстви ях , на зы ва ю те го ген о т и по м. Т.е . ген о т и п – это не пр о ста я сумма ге но в, а си сте ма вза и мо де йствую щи х ге но в. Э то ге не ти ч е ска я ко нсти туци я о р га ни зма , и ме ю ща я ф е но ти пи ч е ско е пр о явле ни е . Ф ен о т и п – это со во купно сть вне ш ни х и внутр е нни х пр и зна ко в о р га ни зма , пр о являю щи х ся ка к р е зуль та т вза и мо де йстви я ге но ти па с о кр уж а ю ще й ср е до й. Те р ми но м ген о м о б о зна ч а ю тсумма р ную ге не ти ч е скую и нф о р ма ци ю (сумма р ную = то та ль ную Д Н К: со во купно сть все х ге но в, ме ж ге нны х уч а стко в и не ко ди р ую щи х по вто р о в) га пло и дно го на б о р а х р о мо со м да нно го ви да о р га ни змо в. П р и это м не уч и ты ва -

11

е тся а лле ль ны й со ста в. Э то уср е дне нно е , о б ще е стр о е ни е Д Н К – р а зме р ы и о со б е нно сти о р га ни за ци и , по сле до ва те ль но сть не укле о ти до в и др . 1.2. Т и п ы и ст рукт ура генов Ра зли ч а ю тсле дую щи е ти пы ге но в: 1. Стр уктур ны е , и ли уни ка ль ны е . Э то не по вто р яю щи е ся (и ли по вто р яю щи е ся не б о ле е 10 р а з) по сле до ва те ль но сти нукле о ти до в. Ка ж ды й стр уктур ны й ге н о б ла да е т то ль ко е му пр и сущи м по р ядко м р а спо ло ж е ни я нукле о ти до в и ко ди р уе тпе р ви ч ную стр уктур уо пр е де ле нно го по ли пе пти да и ли мо ле кулы РН К. Зде сь со де р ж и тся о сно вна я ге не ти ч е ска я и нф о р ма ци я. С т ро ен и е ст рук т урн ы х ген о в эук а ри о т (эк зо н -и н т ро н н а я о рга н и за ци я ген а ) У эука р и о т ге ны устр о е ны сло ж не е , ч е м у пр о ка р и о т. В а ж на я о со б е нно сть ге но в эука р и о т– и х пр е р ы ви сто сть , мо за и ч н а я (и н т ро н -эзо н н а я) ст рук т ура . О ни со сто ят и з ко ди р ую щи х уч а стко в (нукле о ти дны х по сле до ва те ль но сте й) – эк зо н о в и не ко ди р ую щи х – и н т ро н о в. И нтр о ны , по до б но ме ж ге нны м спе йсе р а м (уч а стка м ме ж ду ге на ми ), не со де р ж а тге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и , то гда ка к сумма экзо но в ко ди р уе т спе ци ф и ч ны й для это го ге на пр о дукт- по ли пе пти д, р РН К, тРН К и т.д. Та ко й ти п стр уктур но й о р га ни за ци и о б на р уж е н для б о ль ш и нства эука р и о ти ч е ски х яде р ны х ге но в (ло ка ли зо ва нны х в х р о мо со ма х ), для не ко то р ы х ге но в ци то пла зма ти ч е ски х о р га не лл – пла сти д и ми то х о ндр и й, а та кж е для ге но в не ско ль ки х РН Ксо де р ж а щи х и Д Н К-со де р ж а щи х ви р усо в, по р а ж а ю щи х эука р и о т. У б а кте р и й и нтр о но в в ге на х не т. Н е т и нтр о но в и в ге на х ви р усо в, по р а ж а ю щи х б а кте р и и . В р е зуль та те ли не йны е р а зме р ы ге но в, со де р ж а щи х и нтр о ны , р е зко во зр а ста ю тпо ср а вне ни ю со стр уктур ны ми ге на ми пр о ка р и о т. Ч и сло , р а зме р ы и внутр и ге нна я ло ка ли за ци я и нтр о но в р а зли ч ны у р а зны х ге но в. Э кзо ны , ка к пр а ви ло , и ме ю т не б о ль ш ую дли ну (о т 100 до 600 пн), а дли на и нтр о но в мо ж е тва р ь и р о ва ть в ш и р о ки х пр е де ла х . Та к, у др о ж ж е й са х а р о ми це то в (ни зш и х эука р и о ти ч е ски х гр и б о в) 95% ге но в со де р ж а т то ль ко о ди н экзо н, т.е . не пр е р ы ва ю тся и нтр о на ми . У др о зо ф и лы та ки х ге но в все го 17%, а у мле ко пи та ю щи х – 6%. П р и ч е м, б о ль ш и нство ге но в мле ко пи та ю щи х со де р ж и т б о ль ш е и нтр о но в, ч е м экзо но в. П о да нны м пр о е кта “ Ге но м ч е ло ве ка ” то ль ко 1% Д Н К ге но ма пр и х о ди тся на экзо ны и 24% на и нтр о ны , пр и это м р а зме р ти пи ч но го ге на (и нтр о ны +экзо ны ) со ста вляе то ко ло 28 тпн. У ч е ло ве ка о ди н и з са мы х ко р о тки х ге но в – ге н б эта -гло б и на (1100пн) и ме е т3 экзо на и 2 и нтр о на . Са мы й пр о тяж е нны й ге н ди стр о ф и на (2,6 млн пн) со де р ж и тб о ле е 200 экзо но в. Н а и б о ль ш е е ч и сло экзо но в о б на р уж е но в ге не ф и б р и лли р но го б е лка ти ти на (234). П о сле до ва те ль но сти нукле о ти до в в экзо на х ко нсе р ва ти вны , а в и нтр о на х си ль но ва р ь и р ую т. Сч и та ю т, ч то и нтр о ны эво лю ци о ни р ую тзна ч и те ль но б ы стр е е , ч е м экзо ны . М о за и ч на я стр уктур а ге но в о пр е де ляе т эво лю ци о нны е во змо ж но сти ге но ма эука р и о т. Кр о ме то го , суще ство ва ни е и н-

12

тр о но в о б е спе ч и ва е т р е гуляци ю экспр е сси и ге но в эука р и о т (на пр и ме р , а ль те р на ти вны й спла йси нг). Сх е ма о р га ни за ци и ти пи ч но го ге на пр е дста вле на на р и сунке 3. Ка ж ды й ге н со сто и ти з двух о сно вны х эле ме нто в: р е гулято р но й ч а сти и со б стве нно ко ди р ую ще й (стр уктур но й) ч а сти . Ре гулято р на я ч а сть о б е спе ч и ва е т на ч а ло тр а нскр и пци и ко ди р ую ще й ч а сти (пр о мо то р ) и за ве р ш е ни е тр а нскр и пци и (те р ми на то р ). В стр уктур но й ч а сти за пи са на и нф о р ма ци я о стр уктур е ко ди р уе мо го да нны м ге но м по ли пе пти да (б е лка ). Э кзо ны

Ста р то ва я то ч ка Тр а нскр и пци и

5’ П

1

2

Те р ми на ци я тр а нскр и пци и

3

4

Т 3’

И нтр о ны Н а пр а вле ни е тр а нскр и пци и П – пр о мо то р и Т– те р ми на то р – не тр а нсли р уе мы е о б ла сти

Ри суно к 3. М о де ль о б ще й стр уктур ы ге на эука р и о т Ре гулято р на я ч а сть не тр а нскр и б и р уе тся, со стр уктур но й ч а сти сч и ты ва е тся ма тр и ч на я РН К (мРН К). Ре гулято р на я ч а сть эука р и о ти ч е ско го ге на устр о е на го р а здо сло ж не е пр о ка р и о ти ч е ско го . В на ч а ле ге на (5′ко не ц) на х о ди тся пр о мо то р – уч а сто к, к ко то р о му пр и со е ди няе тся РН Кпо ли ме р а за у пр о ка р и о т и ли тр а нскр и пци о нно го ко мпле кса у эука р и о т, ч то со пр о во ж да е тся и ни ци а ци е й тр а нскр и пци и . М а тр и ч на я РН К (мРН К) си нте зи р уе тся в на пр а вле ни и о т5′- к 3′- ко нцу о дно й и з це пе й Д Н К, ко то р а я на зы ва е тся ма тр и ч но й. В то р а я це пь на зы ва е тся ко ди р ую ще й. В ко нце ге на (3′-ко не ц) на х о ди тся уч а сто к те р ми на ци и тр а нскр и пци и (те р ми на то р ). И нтр о ны тр а нскр и б и р ую тся на р а вне с экзо на ми , та к ч то пр о -мРН К (пе р ви ч ны й тр а нскр и пт) пр е дста вляе тсо б о й по лную ко пи ю ге на и со де р ж и туч а стки , тр а нскр и б и р о ва нны е ка к с экзо но в, та к и с и нтр о но в. В да ль не йш е м в х о де про цесси н га (со зр е ва ни я), пр о и сх о дяще го в ядр е , уч а стки пр о -мРН К, со о тве тствую щи е и нтр о на м, вы р е за ю тся, а б ы вш и е р а зо б ще нны е уч а стки , сч и та нны е с экзо но в, “ ср а щи ва ю тся” (“ сш и ва ю тся”) в нуж но м по р ядке , и зр е ла я мРН К со де р ж и тто ль ко тр а нскр и пты экзо но в. В о ссо е ди не ни е уч а стко в, тр а нскр и б и р о ва нны х с экзо но в пр и о б р а зо ва ни и зр е ло й мРН К, на зы ва ю тспла йси н го м ( о та нгл. splicing – ср а щи ва ни е мо р ски х ка на то в). В и то ге дли на мРН К о ка зы ва е тся суще стве нно ме нь ш е дли ны ге на (р и с. 9). И нтр о ны все гда (уста но вле но для ге но в, ко ди р ую щи х б е лки ) и ме ю тна 5′-ко нце па р уси гна ль ны х по сле до ва те ль но сте й GT, а на 3′-ко нце – AG, ко то р ы е “узна ю т” ф е р ме нты нукле а зы , вы р е за ю щи е эти уч а стки . Ге н вклю ч а е т та кж е не б о ль ш и е р е гулято р ны е уч а стки – эн ха н серы (уси ли т ели ) и са йлен серы (о сла би т ели ), вли яю щи е на и нте нси вно сть пр о -

13

явле ни я (и ли экспр е сси и ) ге на . П р и ч е м, энх а нсе р ы и са йле нсе р ы мо гут р а спо ла га ть ся не то ль ко в 5’- ко нце (р ядо м с пр о мо то р о м), но и в ты сяч а х па р нукле о ти до в о т пр о мо то р а , в лю б о й о р и е нта ци и по о тно ш е ни и к на пр а вле ни ю тр а нскр и пци и (в се р е ди не ге на , в е го 3’-о б ла сти , вх о ди ть в со ста в и нтр о но в). 2. Ре гулято р ны е ге ны – не тр а нскр и б и р ую тся и не и ме ю тсо б стве нно го ф е но ти пи ч е ско го пр о явле ни я. О ни служ а т ме ста ми узна ва ни я энзи мо в и др уги х б е лко в, вклю ч е нны х в р е пли ка ци ю и тр а нскр и пци ю Д Н К. Т.е . это ге ны , вза и мо де йствую щи е с р е гулято р ны м б е лко м в пр о це ссе р е гуляци и де йстви я ге но в, и ли и х экспр е сси и . О ни вклю ч а ю ти ли вы клю ч а ю т, уси ли ва ю ти ли о сла б ляю тде йстви е стр уктур ны х ге но в в за ви си мо сти о т усло ви й ср е ды , о пр е де ляя те м са мы м ди а па зо н не на сле дстве нно й и зме нч и во сти . К ни м о тно сятся ге ны -мо ди ф и ка то р ы , ге ны -супр е ссо р ы , энх а нсе р ы , са йле нсе р ы и т.д. Ре гулято р ны е ге ны эука р и о т о тли ч а ю тся о т пр о ка р и о ти ч е ски х . 3. П се вдо ге ны – не ф ункци о на ль ны е ко пи и но р ма ль ны х стр уктур ны х ге но в эука р и о т. Та ки е ге ны и ме ю тне о б х о ди мы е ч е р ты ге но в, т.е . по лны й на б о р экзо но в, х а р а кте р ны й для та ки х ге но в, но ни ко гда не экспр е сси р ую тся (не тр а нскр и б и р ую тся). Т.е . о ста ю тся ф ункци о на ль но не а кти вны ми . Суще ствуе тдва ти па псе вдо ге но в: - Тр а ди ци о нны е псе вдо ге ны , во зни ка ю щи е за сч е тдупли ка ци й о пр е де ле нны х ге но в, ко то р ы е за те м вы клю ч а ю тся в р е зуль та те де ле ци й и то ч ко вы х мута ци й. Т.е . это дупли ци р о ва нны е ко пи и но р ма ль ны х стр уктур ны х ге но в, по те р явш и е а кти вно сть и з-за пр о и зо ш е дш и х в ни х мута ци й. К это му ти пу о тно си тся се ме йство ге но в гло б и но в. У ч е ло ве ка суще ствуе т не ско ль ко ти по в ге мо гло б и но в. Ка ж ды й и з ни х си нте зи р уе тся на о пр е де ле нно й ста ди и р а зви ти я, по это му со ста в б е лко в (гло б и но в) в α- и β-це пях ге мо гло б и на кр о ви мле ко пи та ю щи х р а зли ч е н у эмб р и о на , пло да и взр о сло го о р га ни зма . В ге но ме ч е ло ве ка ге ны ге мо гло б и на р а спо ло ж е ны двумя кла сте р а ми : все α-по до б ны е ге ны со б р а ны в х р о мо со ме 16, а β-по до б ны е ге ны – в х р о мо со ме 11. В ка ж до м кла сте р е е сть псе вдо ге ны . - П р о це сси р о ва нны е псе вдо ге ны . О ни во зни кли в р е зуль та те о б р а тно й тр а нскр и пци и “ пр о це сси р о ва нно й”, т.е . пр о ш е дш е й пр о це сси нг, зр е ло й мРН К и е е и нте гр а ци и о б р а тно в ге но м (р е тр о по зи ци и ). И х на зы ва ю т е ще р е тр о ге ны (“ р е тр о ” по ла ты ни – “ на за д”). У ни х не ти нтр о но в. Та ки е псе вдо ге ны ч а сто встр е ч а ю тся у мле ко пи та ю щи х и р е дко – у др о ж ж е й. П о ла га ю т, ч то в ге но ме ч е ло ве ка не ме не е 3 ты с. по сле до ва те ль но сте й мо ж но р а ссма тр и ва ть в ка ч е стве псе вдо ге но в. 4. П о вто р яю щи е ся по сле до ва те ль но сти Д Н К. К ни м о тно сятся муль т и ген н ы е семейст ва , и ли умерен н о по вт о ряющи еся по следо ва т ель н о ст и (это по сле до ва те ль но сти в 100-500 пн, по вто р яю щи е ся в ге но ме 10-1000 р а з). Э то гр уппы р о дстве нны х стр уктур ны х ге но в, о б р а зую щи х кла сте р ли б о ди спе р ги р о ва нны х по ге но му, во зни ка ю щи х в р е зуль та те р яда по сле до ва те ль ны х дупли ка ци й ге на пр е дш е стве нни ка . М уль ти ге нны е се ме йства ко ди р ую т, на пр и ме р , р РН К и тРН К. П р о дукта ми эти х ге но в, та ки м о б р а -

14

зо м, являе тся РН К. Ге ны р и б о со ма ль ны х ци стр о но в и ли р Д Н К у эука р и о ти ч е ски х о р га ни змо в ло ка ли зо ва ны в о б ла сти ядр ы ш ко вы х о р га ни за то р о в х р о мо со м (в р а йо не вто р и ч но й пе р е тяж ки ). Ко пи и р Д Н К ге но в 28S, 18S и 5,8S со б р а ны в б ло ки -кла сте р ы , ко то р ы е р а зде ле ны не ф ункци о на ль ны ми уч а стка ми – спе йсе р а ми . Ч и сло ко пи й ва р ь и р уе то т100 до 1000. У др о ж ж е й - 140 по вто р о в, у др о зо ф и лы 200-250, у ч е ло ве ка – 1250. Кла сте р ге но в тр а нскр и б и р уе тся в ви де о дно й мРН К (пе р ви ч но го тр а нскр и пта ), ко то р ы й за те м по две р га е тся пр о це ссу со зр е ва ни я (пр о це сси нгу), ч то пр о являе тся в р а зр е за ни и ги га нтско й мо ле кулы (45S РН К) на 3 ф р а гме нта , со о тве тствую щи е мо ле кула м 5,8S, 18S и 28S РН К, и спе йсе р ны е уч а стки . П о сле дни е не вы х о дят в ци то пла зму и де гр а ди р ую т в ядр е . Т.е . и з о дно го пе р ви ч но го тр а нскр и пта о б р а зуе тся не ско ль ко мо ле кул р РН К. К муль ти ге нны м се ме йства м о тно сят и гр уппы ф ункци о на ль но б ли зки х б е лко в – ги сто но в, вх о дящи х в со ста в нукле о со м. Э ти ге ны р а спо ло ж е ны в о пр е де ле нно й по сле до ва те ль но сти : Н 4, Н 2В , Н 2А, Н 3, Н 1. Орф о н ы - о дна и з ф о р м псе вдо ге но в, ко то р ы е (в о тли ч и е о тпр о це сси р о ва нны х псе вдо ге но в) пр о и зо ш ли и з по вто р яю щи х ся по сле до ва те ль но сте й муль ти ге нны х се ме йств (на пр и ме р , ги сто но в, ге мо гло б и на и др .). Сч и та ю т, ч то о р ф о ны являю тся сво е о б р а зны м “ р е зе р вуа р о м” по сле до ва те ль но сте й, спо со б ны х эво лю ци о ни р о ва ть в сто р о ну пр и о б р е те ни я но вы х ф ункци й, и по это му мо гути гр а ть ва ж ную р о ль в эво лю ци и вы сш и х о р га ни змо в. Х а р а кте р на я о со б е нно сть ге не ти ч е ско го ма те р и а ла эука р и о т– на ли ч и е и збы т о ч н о йДН К. Та к, у б а кте р и и Escherihia coli (E. coli) и з 4,6 млн. пн, вх о дящи х в со ста в ге но ма это го ви да , 88,6% (т.е . о сно вную ч а сть ) за ни ма ю тге ны . И з ни х 87,8% пр и х о ди тся на до лю стр уктур ны х ге но в (о ко ло 4 ты с. ге но в), а 0,8% - на до лю уме р е нно по вто р яю щи х ся по сле до ва те ль но сте й, ко ди р ую щи х р а зли ч ны е ти пы РН К. И на я ка р ти на у эука р и о ти ч е ски х о р га ни змо в. У ч е ло ве ка , на пр и ме р , и з 3,2 млр д. пн, вх о дящи х в со ста в ге но ма , то ль ко о ко ло 3% (о ко ло 32 ты с. ге но в) со ста вляе т ко ди р ую щую ч а сть . П о да вляю ща я ж е ч а сть Д Н К и зб ы то ч на и пр е дста вле на вы со ко ч а сто тны ми по вто р а ми . - Вы со к о по вт о ряющи еся по следо ва т ель н о ст и . Э то та к на зы ва е ма я са т елли т н а я ДН К (са тДН К), в ко то р о й сх о дны е уч а стки (мо ти вы ) Д Н К р а зме р о м до 100-300 пн мо гутб ы ть по вто р е ны до ми лли о на р а з на ге но м (105 и б о ле е р а з). Са те лли ты ф о р ми р ую т дли нны е ге те р о х р о ма ти но вы е уч а стки Д Н К. Ка к пр а ви ло , эта Д Н К ло ка ли зо ва на в це нтр о ме р ны х и те ло ме р ны х р а йо на х х р о мо со м. В х о ди т в со ста в ге те р о х р о ма ти на . Са тД Н К вклю ч а е тне тр а нскр и б и р ую щи е ся по сле до ва те ль но сти , т.е . в ге не ти ч е ско м о тно ш е ни и и не р тна , по это му е е на зы ва ли мусо р но й, и ли эго и сти ч но й. Н о та ко го ге но мно го мусо р а не тни у б а кте р и й, ни у др о ж ж е й, по это му пр е дпо ла га ю т, ч то это ско р е е все го не “ мусо р ”, а це нно е эво лю ци о нно е пр и о б р е те ни е , о б е спе ч и вш е е вы со ко р га ни зо ва нны м эука р и о та м пр е и муще ство в пр о це ссе р а зви ти я, а по это му и со х р а ни вш е е ся. В по сле дне е вр е мя б ы ло по ка за но , ч то са тД Н К пр и ни ма е туч а сти е в стр уктур но й о р га ни за ци и х р о -

15

мо со м, уч а ствуе тв пр о це ссе ко нъю га ци и х р о мо со м в пр о ф а зе ме йо за . П о мне ни ю А.П . Аки ф ь е ва , ф ункци я и зб ы то ч но й Д Н К со сто и тв по дде р ж а ни и “ кр и ти ч е ско й ма ссы ” х р о мо со м, ко то р а я не мо ж е т б ы ть по те р яна ни пр и ка ки х о б сто яте ль ства и являе тся не о б х о ди мо й для пр о х о ж де ни я ми то за и ме йо за . Кр о ме то го , са те лли тно й Д Н К о тво дят о со б ую р о ль в эво лю ци и . Сч и та ю т, ч то о ко ло 10% и з вы со ко ч а сто тны х по вто р о в спо со б ны к б ы стр ы м и зме не ни ям в х о де ви до о б р а зо ва ни я. И ссле до ва те ль С. О но по ла га е т, ч то и зб ы то ч на я Д Н К е сть то тса мы й сы р о й ма те р и а л, ко то р ы й и спо ль зую т эука р и о ты для по стр о е ни я но вы х ге но в и но вы х ге не ти ч е ски х р е гулято р ны х си сте м. В е дь для то го ч то б ы со зда ть но вы й ге н, не ль зя р а зр уш и ть ка ко й-ли б о и з ста р ы х (ф ункци о ни р ую щи х ) ге но в, т.к. это по вле ч е тза со б о й ле та ль ны й и сх о д для о р га ни зма , ли б о р е зко по ни зи т е го ж и зне спо со б но сть . И ме нно в р а йо на х са тД Н К на и б о ле е ч а сто пр о и сх о дят р а зли ч ны е стр уктур ны е пе р е стр о йки х р о мо со м. Та кж е сч и та ю т, ч то пр е о б ла да ни е б е ссмы сле нны х о тр е зко в Д Н К мо ж е тслуж и ть па сси вно й за щи то й о то па сны х ви р усо в, по ско ль ку ве р о ятно сть по па да ни я р а зр уш а ю ще й ви р усно й и нф о р ма ци и в смы сло вую ч а сть р е зко уме нь ш а е тся. П о мне ни ю Л.И . П а тр уш е ва (пр е дло ж и вш е го ги по те зу “ а ль тр уи сти ч е ско й” Д Н К), и ме нно и зб ы то ч ны е по сле до ва те ль но сти Д Н К о ка зы ва ю тста б и ли зи р ую ще е вли яни е на ге не ти ч е скую и нф о р ма ци ю , за клю ч е нную в ге но ме мно го кле то ч ны х о р га ни змо в. О ни р а зб а вляю т ко ди р ую щи е по сле до ва те ль но сти не ко ди р ую щи ми та ки м о б р а зо м, ч то по сле дни е вы ступа ю тв р о ли ло вуш е к мута ге но в лю б о го ви да . И зб ы то ч ны е по сле до ва те ль но сти ве дут се б я впо лне “ а ль тр уи сти ч но ”, пр и ни ма я уда р мута ге но в на се б я и спе ци ф и ч е ски за щи ща я ж и зне нно ва ж ны е уч а стки Д Н К о тмута ци й. Ра зно ви дно стями са тД Н К являю тся ми к ро са т елли т ы (М КС ) и ми н и са т елли т ы (М Н С ). М и ни ма ль на я по вто р яю ща яся е ди ни ца (КО Р) ми кр о са те лли то в вклю ч а е то т1 до 10 па р нукле о ти до в, ми ни са те лли то в – 15 –70 пн. О ни по все ме стно встр е ч а ю тся не то ль ко в яде р но м ге но ме эука р и о т(с ч а сто то й 104-105 на ге но м), но и в ци то пла зма ти ч е ско й Д Н К (х пД Н К и мтД Н К). Ко ли ч е ство « ко р о вы х е ди ни ц» в о пр е де ле нны х ти па х М КС и М Н С ва р ь и р уе т, о б е спе ч и ва я о сно ву ур о вня е сте стве нно го по ли мо р ф и зма и х дли ны в ге но ме ч е ло ве ка , ж и во тны х и р а сте ни й. Э то о б усло вле но по вы ш е нно й ч а сто то й мута ци й в эти х р а йо на х по ср а вне ни ю с др уги ми р а йо на ми ге но ма . Са йты ло ка ли за ци и ми кр о - и ми ни са те лли то в по дли не х р о мо со м на зы ва ю т ло к уса ми ва рь и рующего ч и сла т а н демн ы х по вт о ро в (VNTR-ло кусы ). Ч и сло и р а спр е де ле ни е в ге но ме та ки х по вто р о в спе ци ф и ч ны для ка ж до го о р га ни зма . В ы со ки й по ли мо р ф и зм М КС и М Н С, и х о б и ли е и по все ме стно е р а спр о стр а не ни е в ге но ме сде ла ло и х пе р спе кти вны ми для и спо ль зо ва ни я в ка ч е стве мо ле куляр ны х ма р ке р о в для ка р ти р о ва ни я ге но ма , р е ш е ни я во пр о со в эво лю ци и , ко мме р ч е ско й се р ти ф и ка ци и и др . И х и спо ль зую т пр и ге нно й да кти ло ско пи и в ка ч е стве «ген н ы х о т печ а т к о в па ль цев» и ли ф и н герпри н т о в для и де нти ф и ка ци и ли ч но сти и ли уста но вле ни я сте пе ни р о дства . Ф ункци о на ль но е зна ч е ни е М КС и М Н С е ще не до ста то ч но и зуч е но . О б суж да е тся и х р о ль в р е гуляци и тр а нскр и пци и со -

16

се дни х ге но в. О пр е де ле на ф ункци я ко р о тки х мно го кр а тно по вто р яю щи х ся ге кса нукле о ти дны х те ло ме р ны х по сле до ва те ль но сте й (TTAGGG)n. О ни о гр а ни ч и ва ю тли не йную х р о мо со му с ко нцо в, за щи ща ю тко нцы х р о мо со м о тде гр а да ци и (пр е до твр а ща ю ти х уко р а ч и ва ни е в пр о це ссе мно го кр а тно й р е пли ка ци и ) и сли яни я. В по да вляю ще м б о ль ш и нстве случ а е в вы со ко по вто р яю ща яся Д Н К являе тся “ мо лч а ще й” (не ко ди р ую ще й). 5. О со б о е ме сто ср е ди ге но в за ни ма ю т мо би ль н ы е ген ет и ч еск и е элемен т ы (М ГЭ) и ли та к на зы ва е мы е «пры га ющи е ген ы » , то е сть нукле о ти дны е по сле до ва те ль но сти , спо со б ны е ме нять сво е по ло ж е ни е в ге но ме , пе р е ме ща ясь внутр и х р о мо со мы и ли ме ж дух р о мо со ма ми . П е р вы ми о пи са нны ми М ГЭ б ы ла си сте ма а к т и ва ци и -ди ссо ци а ци и (Ac- Ds), ко то р ую уста но ви ла а ме р и ка нски й ге не ти к Б. М а к-Кли нто к в 1947 г. в связи с и зуч е ни е м пятни сто сти зе р е н у кукур узы и и зуч е ни е м у не е р а зр ы во в х р о мо со м. М а к-Кли нто к о б на р уж и ла , ч то р а зр ы вы х р о мо со м пр о и сх о дятпр е дпо ч ти те ль но в ло кусе Ds (ди ссо ци а т о ре), ко то р ы й са м по се б е не вы зы ва е т р а зр ы во в. Ра зр ы вы в это м ло кусе пр о и сх о дят то ль ко в пр и сутстви и в ге но ме Ac (а к т и ва т о ра ). В не др е ни е Ds в не по ср е дстве нно й б ли зо сти и ли внутр ь ге на С , ко нтр о ли р ую ще го о кр а ску а ле йр о на , пр и во ди ло к и на кти ва ци и ге на С, по это му ге те р о зи го тны е се ме на о ка зы ва ли сь не о кр а ш е нны ми (С /с/с-эндо спе р м 3n). В пр и сутстви и Ac Ds на ч и на л пе р е ме ща ть ся и , е сли о н по ки да л ло кус ге на С , се ме на вно вь пр и о б р е та ли о кр а ску. Ка к б ы ло по зж е вы ясне но , эле ме нт Ac со де р ж и т ге н тр а нспо за зы (ко ди р ую щи й ф е р ме нт, не о б х о ди мы й для пе р е ме ще ни я) и спо со б е н к са мо сто яте ль ны м пе р е ме ще ни ям, а эле ме нтDs пе р е ме ща е тся то ль ко в пр и сутстви и эле ме нта Ac. Ds во зни к в р е зуль та те де ле ци й внутр е нни х уч а стко в Ac - эле ме нта . К на сто яще му вр е ме ни мо б и ль ны е эле ме нты о б на р уж е ны у б а кте р и й, ви р усо в, гр и б о в, р а сте ни й, ж и во тны х и ч е ло ве ка . Спо со б но сть к пе р е ме ще ни ю (тр а нспо зи ци и ) за ко ди р о ва на в нукле о ти дны х по сле до ва те ль но стях са ми х М ГЭ . Бе лки -ф е р ме нты тр а нспо зи ци и (тр а нспо за зы и р е ве р та зы ) о б е спе ч и ва ю т встр а и ва ни е (и нте гр а ци ю ) М ГЭ в р а зли ч ны е ме ста (са йты , Д Н К-ми ш е нь ) х р о мо со м и вне х р о мо со мны х мо ле кул Д Н К, а та кж е и х вы х о д (“ вы р е за ни е ”) и з эти х са йто в. У пр о ка р и о т суще ствуе т два ти па мо б и ль ны х эле ме нто в – ISэле ме нты (о та нгл. insertion sequences – вста во ч ны е по сле до ва те ль но сти ) и тр а нспо зо ны (Tn). IS-эле ме нты со де р ж а тто ль ко ми ни ма ль но е ч и сло ге но в, не о б х о ди мо е для и х пе р е ме ще ни я в но вы й уч а сто к х р о мо со мы . Н а ко нца х (на ф ла нга х ) IS-эле ме нто в на х о дятся и нве р ти р о ва нны е по вто р ы - сх о дны е ко р о тки е нукле о ти дны е по сле до ва те ль но сти (20-40 пн), р а спо ло ж е нны е в о б р а тно м по р ядке (р и суно к 4). Сч и та ю т, ч то ко нце вы е по вто р ы (ф ла нки р ую щи е по сле до ва те ль но сти ) и гр а ю тва ж ную р о ль в пр о це сса х пе р е ме ще ни я тр а нспо зи р уе мы х эле ме нто в. П е р е ме ще ни е о суще ствляе тся ф е р ме нта ми тр а нспо за за ми за сч е т и х вза и мо де йстви я с ко нце вы ми и нве р ти р о ва нны ми по вто р а ми . Х о тя б ы ч а сти ч но е де ле ти р о ва ни е по сле дни х ли ш а е т М ГЭ спо со б но сти к тр а нспо зи ци и . Тр а нспо зо ны устр о е ны зна ч и те ль но

17

сло ж не е и со де р ж а ткр о ме ко нце вы х по вто р о в и ге но в, ко ди р ую щи х пе р е ме ще ни е , ге ны усто йч и во сти к а нти б и о ти ка м, и о на м тяж е лы х ме та лло в, и нги б и то р а м, то кси на м и др . IS-эле ме нт 5′ ACAGTTCAG 3′ TGTCAAGTC

CTGAACTGT 3′ GACTTGACA 5′

Ге н (и ли ге ны ), ко ди р ую щи й Ле вы й ко нце - тр а нспо за зу – б е ло к, не о б х о - П р а вы й ко нце во й и нве р ти р о во й и нве р ти р о - ди мы й для пе р е ме ще ни я ва нны й по вто р ва нны й по вто р

Ри суно к 4. Сх е ма стр о е ни я IS-эле ме нта E.coli И зве стно 2 ме х а ни зма тр а нспо зи ци и М ГЭ пр о ка р и о т: р е пли ка ти вны й и не р е пли ка ти вны й. П р и р е пли ка ти вно й тр а нспо зи ци и пр о и сх о ди тр е пли ка ци я (удво е ни е ) ге не ти ч е ско го эле ме нта , о дна ко пи я ко то р о го о ста е тся в и сх о дно м са йте , то гда ка к др уга я пе р е ме ща е тся в но вы й са йт-ми ш е нь (т.е . встр а и ва е тся ко пи я). П р и та ко м спо со б е тр а нспо зи ци и пр о и сх о ди т р а змно ж е ни е М ГЭ , уве ли ч е ни е и х ч и сла в ге но ме . П р и не р е пли ка ти вно й тр а нспо зи ци и в р е ци пи е нтную Д Н К встр а и ва е тся са м М ГЭ . В 70х го да х Х Х ве ка и по зж е у др о зо ф и лы , мле ко пи та ю щи х и ч е ло ве ка б ы ли о б на р уж е ны М ГЭ , р а зли ч а ю щи е ся по ме х а ни зму пе р е ме ще ни я по ге но му. Н е ко то р ы е и з эука р и о ти ч е ски х М ГЭ пе р е ме ща ю тся в ви де РН К (ка к р е тр о ви р усы ), а др уги е в ви де Д Н К (ка к б а кте р и а ль ны е тр а нспо зо ны ). В со о тве тстви е с эти м эука р и о ти ч е ски е М ГЭ по др а зде ляю тна 2 б о ль ш и е гр уппы – рет ро т ра н спо зо н ы (эле ме нты кла сса I) и кла сси ч е ски е т ра н спо зо н ы (эле ме нты кла сса II). М о б и ль ны е эле ме нты кла сса I – рет ро т ра н спо зо н ы (рет ро по зо н ы ) и спо ль зую т для сво е го пе р е ме ще ни я ме х а ни зм о б р а тно й тр а нскр и пци и пр и уч а сти и ф е р ме нта р е ве р та зы (о б р а тно й тр а нскр и пта зы ). Т.е на РН Кма тр и це мо б и ль но го эле ме нта с по мо щь ю ф е р ме нта р е ве р та зы си нте зи р уе тся Д Н К-ко пи я (вна ч а ле си нте зи р уе тся о дна ни ть Д Н К, а за те м ко мпле ме нта р на я е й вто р а я- кД Н К). П о сле ч е го ма тр и ца РН К р а спа да е тся и уда ляе тся, а двуни те ва я Д Н К (кД Н К), си нте зи р о ва нна я в ци то пла зме , пе р е ме ща е тся в ядр о и встр а и ва е тся в ге но м, о б р а зуя пр о ви р ус. К ни м о тно сятся, на пр и ме р , мо б и ль ны е ди спе р ги р о ва нны е ге ны (М Д Г) = copiaпо до б ны е эле ме нты у др о зо ф и лы (гр уппа ми гр и р ую щи х эле ме нто в б ли зки х по стр о е ни ю нукле о ти дны х по сле до ва те ль но сте й), Ty-эле ме нты др о ж ж е й, М ГЭ се ме йства Alu у мле ко пи та ю щи х , в т.ч . у ч е ло ве ка . Ре тр о тр а нспо зо ны со ста вляю то ко ло 2% ге но ма у др о зо ф и лы и б о ле е 40% у не ко то р ы х р а сте ни й. О ко ло 3% ге но ма ч е ло ве ка пр и х о ди тся на до лю Aluпо вто р о в. О тме ч е но уве ли ч е ни е ч а сто ты тр а нспо зи ци и и экспр е сси и М ГЭ

18

в усло ви ях эко ло ги ч е ско го стр е сса , пр и во зде йстви и р а зли ч ны х мута ге нны х ф а кто р о в. Э ле ме нты кла сса II пе р е ме ща ю тся в ге но ме ка к Д Н К-о вы е эле ме нты пр и уч а сти и тр а нспо за зы и на зы ва ю тся т ра н спо зо н а ми . П е р е ме ще ни е тр а нспо зо но в и з о дно го ло куса в др уго й мо ж е тпр о и сх о ди ть ка к путе м р е пли ка ти вно го , та к и не р е пли ка ти вно го ме х а ни зма . О дни м и з мно ж е ства мо б и ль ны х эле ме нто в удр о зо ф и лы являе тся P-ф а кто р в ге но ме са мца (о ни пр и сутствую т в ка ж до й х р о мо со ме ). П р и скр е щи ва ни и та ко го са мца (Pса мца ) с са мко й (М -са мко й, у ко то р о й P-ф а кто р о тсутствуе т) на б лю да е тся ги б р и дны й ди сге не з, а пр и р е ци пр о кно м (о б р а тно м) скр е щи ва ни и не т. Д и сге не з вы р а ж а е тся в по явле ни и у по то мства се р и и ге не ти ч е ски х де ф е кто в: мута ци й, х р о мо со мны х а б е р р а ци й, на р уш е ни й р а сх о ж де ни я х р о мо со м в ме йо зе и сте р и ль но сти . P-ф а кто р а кти ви зи р уе тся в зи го те по д де йстви е м М -ци то пла змы , уна сле до ва нно й по ма те р и нско й ли ни и . В М -ци то ти пе Рэле ме нты х р о мо со м са мца на ч и на ю т пе р е ме ща ть ся. Д Н К P-эле ме нта вы де ле на и и зуч е на . О н и ме е т дли ну 2907 пн и о гр а ни ч е н те р ми на ль ны ми по вто р а ми р а зме р о м 31 пн. Ф ункци о на ль но это о ди н ге н, ко ди р ую щи й б е ло к тр а нспо за зу. С е го по мо щь ю пр о и сх о ди ттр а нспо зи ци я P-эле ме нта по пр и нци пу“ вы р е за ни е -встр а и ва ни е ”. Н а ли ч и е мо б и ль ны х эле ме нто в в ге но ме мо ж е ти ме ть р а зно о б р а зны е ге не ти ч е ски е по сле дстви я: 1) пе р е ме ще ни е и вне др е ни е мо б и ль но го эле ме нта в ге н (в е го стр уктур ную и ли р е гулято р ную зо ну) мо ж е тпр и ве сти к е го и на кти ва ци и , и зме не ни ю х а р а кте р а экспр е сси и , во зни кно ве ни ю мута ци й; О ко ло 80% спо нта нны х мута ци й, и зуч е нны х в р а зны х ло куса х др о зо ф и лы , вы зва но и нсе р ци ями М ГЭ . 2) и зме ни ть со сто яни е а кти вно сти б ли зле ж а щи х ге но в; М ГЭ спо со б ны и на кти ви р о ва ть и ли уси ли ва ть экспр е сси ю ге но в, “ вклю ч а ть ” и “ вы клю ч а ть ” со се дни е с ни м ге ны , по ско ль ку у ни х е сть пр о мо то р ы , те р ми на то р ы и энх а нсе р ы тр а нскр и пци и . Н а пр и ме р , е сли р е тр о тр а нспо зо н с дли нны ми ко нце вы ми по вто р а ми (LTR), вы по лняю щи ми ф ункци ю пр о мо то р о в, о ка за лся о ко ло пр о то о нко ге на (р е гули р ую ще го но р ма ль но е по ве де ни е кле тки , на пр и ме р те мп и “ р а спи са ни е ” е е де ле ни я), то р е зуль та то м мо ж е т б ы ть све р х пр о дукци я б е лка и зло ка ч е стве нно е пе р е р о ж де ни е кле тки ; 3) пр и ве сти к о б р а зо ва ни ю х р о мо со мны х пе р е стр о е к: де ле ци и , дупли ка ци и и ли и нве р си и ; два р о дстве нны х тр а нспо зо на , на х о дящи е ся на о дно й х р о мо со ме , мо гут пе р е но си ть ф р а гме нт Д Н К, ко то р ы й за клю ч е н ме ж ду ни ми , в др угую о б ла сть то й ж е х р о мо со мы и ли во о б ще в др угую х р о мо со му; 4) уч а ство ва ть (на р яду с пла зми да ми и ви р уса ми ) в го р и зо нта ль но м пе р е но се ге но в (т.е . пе р е да ч е ге но в ме ж ду о дно вр е ме нно суще ствую щи ми о р га ни зма ми , а не о тр о ди те ле й по то мству – ве р ти ка ль ны й пе р е но с). П р и тр а нспо зи ци и М ГЭ мо гутпе р е но си ть в Д Н К-ми ш е нь р а зли ч ны е ге ны , на пр и ме р , усто йч и во сти к а нти б и о ти ка м, ле ка р стве нны м пр е па р а та м и яда м о то дно й б а кте р и и к др уго й. Го р и зо нта ль ны й пе р е но с ге но в со зда е тсе р ь -

19

е зны е пр о б ле мы для эпи де ми о ло го в. О ди н и з р е тр о тр а нспо зо но в др о зо ф и лы (gypsy-цы га н, о тно сящи йся к copia-по до б ны м эле ме нта м), ка к о ка за ло сь , являе тся на сто ящи м р е тр о ви р усо м: путе м и нъе кци и и ли ска р мли ва ни я ви р усны х ч а сти ц уда е тся за р а зи ть мух , не не сущи х эти р е тр о тр а нспо зо ны . М ГЭ о тво ди тся и склю ч и те ль но б о ль ш а я р о ль ка к ф а кто р о в и зме нч и во сти в пр о це сса х эво лю ци и ге но мо в. Со гла сно Р.Б. Х е си ну (1984), тр а нспо зо ны являю тся а ге нта ми , о суще ствляю щи ми связь ме ж ду ге но ма ми все х о р га ни змо в. Та к, ш и р о ко е р а спр о стр а не ни е тр а нспо зо на mariner ср е ди ф и ло ге не ти ч е ски о тда ле нны х гр упп на се ко мы х мо ж е т сви де те ль ство ва ть о по вто р ны х пе р е х о да х да нно го эле ме нта о тви да к ви ду. 1.3. М ат ри ч ная акт и вност ь генов Ф унда ме нта ль ны ми сво йства ми ге на являе тся спо со б но сть к р е пли ка ци и , тр а нскр и пци и и тр а нсляци и . Э ти сво йства ге но в о суще ствляю тся на ма тр и ч но й о сно ве и о б е спе ч и ва ю тво спр о и зве де ни е и со х р а не ни е ге не ти ч е ско го ма те р и а ла и з по ко ле ни я в по ко ле ни е , р а змно ж е ни е и р а зви ти е ж и вы х о р га ни змо в. Ка к уж е о тме ч а ло сь , пр и нци п ма тр и ч но й а кти вно сти ге на б ы л сф о р мули р о ва н е ще в 20-е Н .К. Ко ль цо вы м, ко то р ы й впе р вы е пр е дпо ло ж и л мо ле куляр ную пр и р о дуге на , до пусти в о ш и б куто ль ко в то м, ч то о н по ла га л, ч то ге на ми являю тся мо ле кулы б е лка . О ткр ы ти е дво йно й спи р а ли Д Н К – си мво л уста но вле ни я ма тр и ч но го пр и нци па в б и о ло ги и . М а тр и ч ны е пр о це ссы (р е пли ка ци я, тр а нскр и пци я, тр а нсляци я) и ме ю то б щи е х а р а кте р и сти ки : пр о и сх о дятв тр и эта па – и ни ци а ци и , эло нга ци и и те р ми на ци и и со пр о во ж да ю тся ко р р е кци е й, и ли р е па р а ци е й. В се о ни о суще ствляю тся по ли ф е р ме нтны ми ко мпле кса ми . 1.3.1. Реп ли каци я О дни м и з ф унда ме нта ль ны х сво йств Д Н К, о б е спе ч и ва ю щи х пе р е да ч у на сле дстве нно й и нф о р ма ци и о ткле тки к кле тке в пр о це ссе де ле ни я, о тр о ди те ле й по то мка м являе тся репли к а ци я и ли удво ен и е ДН К. И ме нно р е пли ка ци е й нукле и но вы х ки сло тб ы ла о б е спе ч е на са ма во змо ж но сть во зни кно ве ни я и по дде р ж а ни я ж и зни на Зе мле и не пр е р ы вно сть ж и во й ма те р и и в р ядупо ко ле ни й. Бы ло уста но вле но суще ство ва ни е спе ци ф и ч е ско й “ р е пли ка ци о нно й ма ш и ны ” и ли вза и мо связа нны х мо ле куляр ны х ме х а ни змо в, о б е спе ч и ва ю щи х пр а кти ч е ски б е зо ш и б о ч ную р е пли ка ци ю дво йно й спи р а ли Д Н К. Ка к о тме ч а е т Р. Д о ки нз – а ме р и ка нски й уч е ны й, а вто р кни ги “ Э го и сти ч ны й ге н” (1993), пр е дста вле ни е о мо ле кула х Д Н К ка к о по те нци а ль но ве ч ны х р е пли ка то р а х по р о ди ло па р а до кса ль ную и де ю о то м, ч то ж и вы е о р га ни змы

20

– ли ш ь “ ма ш и ны для вы ж и ва ни я”, за пр о гр а мми р о ва нны е на со х р а не ни е эго и сти ч е ски х мо ле кул, и зве стны х по д на зва ни е м ге но в. Д ля р е пли ка ци и Д Н К тр е б уе тся уч а сти е мно ж е ства б е лко в. Э ти б е лки , ка к и все др уги е , за ко ди р о ва ны в по сле до ва те ль но сти Д Н К. Т а к и м о бра зо м, во зн и к а ет ва ж н ейш а я для ж и зн и “ пет ля о бра т н о йсвязи ”. ДН К н а пра вляет си н т ез белк о в, к о т о ры е си н т ези руют (репли ци руют ) ДН К. 1.3.1.1. П о лук о н серва т и вн ы йспо со б репли к а ци и ДНК П р е дпо ло ж е ни е о то м, ч то р е пли ка ци я Д Н К о суще ствляе тся по по луко нсе р ва ти вно му ти пу (т.е . но ва я мо ле кула пр е дста вле на о дно й р о ди те ль ско й и о дно й вно вь си нте зи р о ва нно й це пями ) б ы ло вы ска за но е ще У о тсо но м и Кр и ко м – а вто р а ми пр о стр а нстве нно й мо де ли стр уктур ы Д Н К в 1953 г. П е р вы е до ка за те ль ства по луко нсе р ва ти вно й р е пли ка ци и б ы ли по луч е ны в 1957г. в о пы та х М . М е зе ль со на и Ф . Ста ля. Д ля ме ч е ни я вно вь си нте зи р уе мы х мо ле кул Д Н К б ы ла и спо ль зо ва на утяж е ляю ща я ме тка – и зо то п а зо та 15N. Д ля это го а вто р ы вы р а щи ва ли б а кте р и и E. coli в те ч е ни е не ско ль ки х де ле ни й на ми ни ма ль но й ср е де с е ди нстве нны м и сто ч ни ко м а зо та 15NH4Cl (х ло р и д а ммо ни я). В ся Д Н К ста но ви ла сь р а вно ме р но по ме ч е нно й 15N и и ме ла б о ле е вы со кую пло тно сть , ч е м Д Н К с 14N. О б р а зцы с тяж е ло й и ле гко й Д Н К ле гко р а зде ляли сь пр и це нтр и ф уги р о ва ни и в гр а ди е нте пло тно сти х ло р и да це зи я (CsCl), о б р а зуя в У Ф дли но й во лны 260 нм 2 зо ны по гло ще ни я. Если б а кте р и и , вы р а ще нны е на ср е де с 15N, пе р е но си ли в ср е ду с 14N и да ва ли по де ли ть ся ли ш ь о ди н р а з, то экстр а ги р о ва нна я и з ни х Д Н К да ва ла то ль ко о дну зо ну по гло ще ни я в У Ф - пр о ме ж уто ч ную . Э то и склю ч а ло ко нсе р ва ти вны й ме х а ни зм р е пли ка ци и , пр и ко то р о м но вы е мо ле кулы не со де р ж а тма те р и а ла р о ди те ль ско й Д Н К. Если б а кте р и ям да ва ли де ли ть ся на о б ы ч но й ср е де (с 14N) два ж ды , то по являлся пи к ле гко й Д Н К и со х р а нялся пи к пр о ме ж уто ч но й, не и сч е за ю щи й пр и по сле дую щи х де ле ни ях . П р о це сс р е пли ка ци и Д Н К у пр о - и эука р и о т р а зли ч а е тся те м, ч то х р о мо со ма б а кте р и й пр е дста вляе тсо б о й о ди н репли к о н . Ре пли ко н – а вто но мна я е ди ни ца р е пли ка ци и , в пр е де ла х ко то р о й о на на ч и на е тся и за ка нч и ва е тся. Х р о мо со ма ж е эука р и о тпо ли репли к о н н а и со де р ж и тсо тни р е пли ко но в. В ге но ме др о ж ж е й и х о ко ло 500, др о зо ф и лы – 3500, ч е ло ве ка – 37000. В р е зуль та те о гр о мны е мо ле кулы Д Н К в х р о мо со ма х эука р и о т успе ва ю т по лно сть ю р е пли ци р о ва ть ся за вр е мя о дно го кле то ч но го ци кла . Кр о ме то го , р е пли ка ци я Д Н К у эука р и о то суще ствляе тся на о пр е де ле нно й ста ди и кле то ч но го ци кла - в и нте р ф а зе , в S-пе р и о д по дго то вки кле то к к де ле ни ю . В ка ж до м р е пли ко не пр и сутствую т не о б х о ди мы е для р е пли ка ци и ко нтр о ли р ую щи е эле ме нты : то ч ка и ни ци а ци и – о ри дж и н = origin (ori) и то ч ка о ко нч а ни я terminalis. У ч а сто к х р о мо со мы , в ко то р о м це пи р о ди те ль ско й двух це по ч е ч но й Д Н К р а сх о дятся, ч то б ы мо гла пр о и зо йти р е пли ка ци я, на зы ва е тся репли к а ци о н н о йви лк о й.

21

1.3.1.2. С по со бы репли к а ци и ДН К у про к а ри о т Ре пли ка ци я Д Н К у б а кте р и й о суще ствляе тся по ти пу “ к а т ящего ся к о ль ца ” (σ-т и п) (р и суно к 5). Та к ж е р е пли ци р ую тся ко ль це вы е Д Н К ф а го в, ви р усо в, ми то х о ндр и й, пла зми д. П р и это м в на р уж но й це пи ко ль це во й дво йно й спи р а ли Д Н К х р о мо со мы б а кте р и и во зни ка е т р а зр ы в, ко то р ы й пр о и сх о ди т с по мо щь ю ф е р ме нта эндо нукле а зы , узна ю ще го спе ци ф и ч е ски й уч а сто к ori. П р и р а зр ы ве по являю тся сво б о дны е о дно ни те вы е ко нцы 5′ и 3′. О сво б о ди вш и йся 5′ко не ц пр и кр е пляе тся к кле то ч но й ме мб р а не . М а те р и нска я ко ль це ва я мо ле кула вр а ща е тся пр о ти в ч а со во й стр е лки , пр и это м на р уж на я це пь (“ плю с ни ть ”) ка к б ы “ спо лза е т” с внутр е нне й (“ ми нус ни ти ”). В то ч ке р а зр ы ва во зни ка е тр е пли ка ци о нна я ви лка . О дна но ва я до ч е р няя це пь Д Н К си нте зи р уе тся ка к пр о до лж е ни е вне ш не й, и спо ль зуя в ка ч е стве ма тр и цы не р а зо р ва нно е внутр е нне е ко ль цо . Н укле о ти ды пр и со е ди няю тся к 3′-ко нцу это й це пи , си нте з до ч е р не й це пи и де тв на пр а вле ни и 5′→3′. П о ме р е вр а ще ни я ко ль це во й мо ле кулы ве ли ч и на р а зве р нувш е йся на р уж но й це пи о т5′-ко нца уве ли ч и ва е тся. Э та це пь служ и т ма тр и це й для си нте за вто р о й до ч е р не й це пи . Си нте з на не й и де тта кж е в на пр а вле ни и 5′→3′. Т.е . ко ль це ва я р о ди те ль ска я мо ле кула пр е вр а ща е тся в две до ч е р ни е мо ле кулы , о дна и з ко то р ы х ко ль це ва я, а др уга я – ли не йна я. П р о ме ж уто ч на я стр уктур а и ме е тф о р муси гма (σ). Ли не йна я ни ть , со де р ж а ща я не ско ль ко по вто р о в о дно го и то го ж е ге но ма , на зы ва е тся к о н к а т емер. И з не го мо ле кулы , р а вны е по дли не х р о мо со мы , вы р е за ю тся ф е р ме нта ми р е стр и кта за ми , узна ю щи ми ко р о тки е б ло ки спе ци ф и ч е ски х по сле до ва те ль но сте й о сно ва ни й в Д Н К. Та ко й спо со б р е пли ка ци и о б усло вли ва е т о б р а зо ва ни е мно ги х ко пи й ма те р и нско й Д Н К. Э то тти п р е пли ка ци и и ме е тме сто пр и по ло во й ко нъю га ци и б а кте р и й (пе р е но с Д Н К о т до но р а к р е ци пи е нту ч е р е з ко нъю га ти вны й мо сти к), встр е ч а е тся в о о ге не зе не ко то р ы х эука р и о ти ч е ски х о р га ни змо в.

Ри суно к 5. Ре пли ка ци я по ти пу“ка тяще го ся ко ль ца ”

22

Ре пли ка ци я Д Н К у б а кте р и й мо ж е то суще ствлять ся по θ-т и пу (тэта ти пу) (р и суно к 6). В это м случ а е со х р а няе тся ко ль це ва я стр уктур а мо ле кул Д Н К. В пр о ти во по ло ж ны х на пр а вле ни ях о тло куса ori дви ж утся две р е пли ка ти вны е ви лки до те х по р , по ка сно ва не встр е тятся. Д ви ж е ни е двух р е пли ка ти вны х ви ло к пр и во ди тк о б р а зо ва ни ю “ гла зко в”, р а сш и р яю щи х ся в двух на пр а вле ни ях вдо ль х р о мо со мы по ме р е р е пли ка ци и . П р о ме ж уто ч на я стр уктур а на по ми на е тгр е ч е скую б укву θ. Та ко й ти п р е пли ка ци и пр е вр а ща е т р о ди те ль скую ко ль це вую х р о мо со му в две до ч е р ни е ко ль це вы е х р о мо со мы , в ка ж до й и з ко то р ы х со х р а няе тся о дна и з це пе й р о ди те ль ско й мо ле кулы , а вто р а я це пь за но во си нте зи р уе тся. В на ч а ле 2-х це по ч е ч ны е ко ль це вы е мо ле кулы связа ны с др уг др уго м. П р и и х р а зде ле ни и о дно и з двух ко ле ц вр е ме нно р а зр ы ва е тся.

Ри суно к 6. Сх е ма р е пли ка ци и ко ль це вы х мо ле кул Д Н К пр и со х р а не ни и ко ль це во й стр уктур ы (θ-ти п) 1.3.1.3. А мпли ф и к а ци я ген о в рРНК у эук а ри о т П о ти пу “ ка тяще го ся ко ль ца ” пр о и сх о ди тта кж е а мпли ф и ка ци я (т.е . уве ли ч е ни е ч и сла ко пи й ге но в, ко ли ч е ства Д Н К) экстр а х р о мо со мны х ко пи й р Д Н К, о тве тстве нно й за си нте з р РН К в эука р и о ти ч е ско й кле тке . Та к, о о ци та м а мф и б и й по сле о пло до тво р е ни я не о б х о ди м уси ле нны й си нте з р и б о со м, ч то б ы о б е спе ч и ть б е лко м р а нни е эта пы р а зви ти я зи го ты , т.е . пр о це сс др о б ле ни я, по ско ль куси нте за Д Н К, а сле до ва те ль но , е е тр а нскр и пци и и тр а нсляци и пр и др о б ле ни и не пр о и сх о ди т. В это м случ а е о дна и з ко пи й р Д Н К, со де р ж а ща я мно го кр а тны е по вто р ы ге но в, ко ди р ую щи х р РН К, по ки да е т х р о мо со му (а и ме нно , р а йо н ядр ы ш ко во го о р га ни за то р а ), а за те м мно го кр а тно р е пли ци р уе тся (и ли а мпли ф и ци р уе тся) по ти пу “ка тяще го ся ко ль ца ”. В р е зуль та те во зни ка е тма сса сво б о дны х ядр ы ш е к, стр уктур но не связа нны х с ядр ы ш ко о б р а зую щи ми х р о мо со ма ми , пр о и сх о ди т уси ле нны й си нте з р и б о со м (о б р а зуе тся до 1012 р и б о со м за о ди н кле то ч ны й ци кл вме сто до 107 р и б о со м в но р ме ), а сле до ва те ль но , и б е лка . Та ка я ди ф ф е р е нци а ль на я р е пли ка ци я о тде ль ны х уч а стко в Д Н К на х о ди тся по д ге не ти ч е ски м ко нтр о ле м и во змо ж на б ла го да р я по ли р е пли ко нно й стр уктур е эука р и о ти ч е ско й х р о мо со мы . Ампли ф и ка ци я мо ж е тб ы ть и а но ма ль ны м явле ни е м и

23

вы ступа ть в ка ч е стве о дно го и з ме х а ни змо в а кти ва ци и о нко ге но в в пр о це ссе р а зви ти я о пух о ли , со ма кло на ль но й и зме нч и во сти кле то к и тка не й в усло ви ях куль тур ы in vitro и др . Ре пли ка ци я ка та ли зи р уе тся по ли ф е р ме нтны м ко мпле ксо м, связа нны м с Д Н К в ви де репли со мы . Бла го да р я сла ж е нно му вза и мо де йстви ю все х ф е р ме нто в, со ста вляю щи х ко мпле кс, р е пли ка ци я пр о и сх о ди тс ф а нта сти ч е ско й ско р о сть ю : 1000 нукле о ти до в в се к у пр о ка р и о ти 100 – у эука р и о т(и з-за и х связи с б е лка ми ги сто на ми ). 1.3.1.4. М еха н и зм репли к а ци и ДН К. Репли к а ци о н н а я ви лк а Ра ссмо тр и м, ка к пр о и сх о ди тр е пли ка ци я ли не йно й мо ле кулы Д Н К. Д ля то го ч то б ы ка ж да я и з двух це пе й Д Н К ста ла ма тр и це й для си нте за но во й це пи , не о б х о ди мо , ч то б ы ни ти Д Н К р а спр а ви ли сь , и ли р е ла кси р о ва ли . Ф е р ме нты кла сса то по и зо ме р а з (ДН К-ги ра за ) уда ляю т супе р ви тки спи р а ли . Н а ч а ло м р е пли ка ци и служ и т р а зво р а ч и ва ни е дупле ксно й Д Н К пр и ка та ли зе ф е р ме нто м гели к а зо й. П о сте пе нно е р а спле те ни е мо ле кулы Д Н К пр о и сх о ди тпр и р а зр ы ве во до р о дны х связе й ме ж ду пур и на ми и пи р и ми ди на ми . О б р а зую ща яся о дно це по ч е ч на я Д Н К ср а зу ж е “ за щи ща е тся ” о тде гр а да ци и связы ва ни е м б е лко в SSB. Бла го да р я де йстви ю эти х б е лко в на Д Н К (б е лки пр е до твр а ща ю т о б р а тно е во ссо е ди не ни е ко мпле ме нта р ны х па р о сно ва ни й) о б р а зуе тся уч а сто к ло ка ль но й де на тур а ци и и две ви лки , в ко то р ы х в да ль не йш е м пр о и сх о ди т р е пли ка ци я. П р и ч е м, ка к по ка за ли эле ктр о нно ми кр о ско пи ч е ски е и ссле до ва ни я, р е пли ка ци я на ч и на е тся не с ко нца ли не йно й мо ле кулы , а в ви де “ гла зко в” по дли не мо ле кулы . В о зни ка ю щи е о дно ни те вы е уч а стки ста но вятся ма тр и ца ми для пр и тяж е ни я и з ци то пла змы ко мпле ме нта р ны х нукле о ти до в. П о ско ль ку ни ти дво йно й спи р а ли Д Н К а нти па р а лле ль ны , в р е пли ка ци о нно й ви лке пр и сутствую т5′ и 3′-ко нцы . О дна ко си нте з Д Н К мо ж е ти дти то ль ко в на пр а вле ни и о т5′ к 3′-ко нцу. Н а о дно й це пи , по луч и вш е й на зва ни е ли ди р ую ще й, си нте з Д Н К и де т не пр е р ы вно в на пр а вле ни и 5′→3′. Н о не ср а зу уда ло сь по нять , ка к ж е си нте зи р уе тся др уга я це пь , на зва нна я о тста ю ще й. Ра зга да ть эту за га дку уда ло сь япо нско му уч е но му Р. О ка за ки , пр о сле ди вш е му за судь б о й вно вь си нте зи р о ва нно й Д Н К, по луч и вш е й о ч е нь ко р о ткую ме тку р а ди о а кти вно сти . М е тка по ступа ла в Д Н К, и ме ю щую ви д ко р о тки х ф р а гме нто в - ф р а гме нто в О ка за ки . Д ли на ф р а гме нто в у пр о ка р и о т со ста вляе т 1000-2000 нукле о ти до в, у эука р и о т– 100-200 нукле о ти до в. Та ки м о б р а зо м б ы ла до ка за на пр е р ы ви ста я р е пли ка ци я Д Н К на о тста ю ще й це пи . Д о ч е р няя це пь на не й си нте зи р уе тся в ви де ко р о тки х ф р а гме нто в с о б ы ч но й 5′→3′ по ляр но сть ю пр и и х по сле дую ще м о б ъе ди не ни и , о б е спе ч и ва ю щи м р о сто тста ю ще й це пи . Сх е ма р е пли ка ци и пр е дста вле на на р и сунке 7. Си нте з до ч е р ни х це пе й на пр а вляе тся Д Н К-по ли ме р а зо й. В кле тка х E. coli о б на р уж е но 3 ти па Д Н К-по ли ме р а з: I, II и III. О сно вны м ф е р ме нто м пр и си нте зе но во й ни ти Д Н К являе тся Д Н К-по ли ме р а за III. О дна ко о на не спо со б на и ни ци и р о ва ть си нте з до ч е р ни х по ли нукле о ти дны х це пе й. Э ту

24

р о ль вы по лняе т ф е р ме нт РН К-по ли ме р а за (пр а йма за ), ко то р а я узна е т ме сто и ни ци а ци и и о тне го на ма тр и ч ны х ни тях Д Н К на ч и на е тси нте з ко р о тко й мо ле кулы РН К-за тр а вки (пр а йме р а ), со сто яще й и з 50-100 нукле о ти до в. Д Н К-по ли ме р а за II о б усло вли ва е тна ч а ло си нте за ни ти Д Н К с ко нца за тр а во ч но й мо ле кулы РН К. Н а р а щи ва ни е мо ле кулы в дли ну о суще ствляе тД Н К-по ли ме р а за III. П р и е сте стве нно м пр о це ссе р е пли ка ци и на р а щи ва ни е це пи Д Н К о ста на вли ва е тся по сто п-си гна лу, и сх о дяще му и з ма тр и ч но й це пи . Та к о б р а зую тся ф р а гме нты О ка за ки . Д Н К-по ли ме р а за I уда ляе т пр а йме р ы и о б е спе ч и ва е тза по лне ни е о сво б о ди вш и х ся уч а стко в (б р е ш е й) со о тве тствую щи ми нукле о ти да ми , ко мпле ме нта р ны ми Д Н К-ма тр и це . Сш и ва ни е ф р а гме нто в О ка за ки о суще ствляе тся с по мо щь ю Д Н К- ли га зы . Э то т ф е р ме нт во сста на вли ва е т ф о сф о ди эф и р ную связь ме ж ду о дно це по ч е ч ны ми р а зр ы ва ми в мо ле куле Д Н К. Ли ди р ую ща я це пь Бе ло к SSB РН К-пр а йме р

3′ 5′ Ф р а гме нты О ка за ки

5′ 5′

5′

Д Н К-ги р а за

3′

3′

ге ли ка за

3′ 5′

О тста ю ща я це пь

Ри суно к 7. Стр о е ни е р е пли ка ци о нно й ви лки (О б ъясне ни е в те ксте ) 1.3.1.5. Осо бен н о ст и репли к а ци и к о н цевы х уч а ст к о в ли н ейн ы х мо лек ул ДН К эук а ри о т . Т ело меры и т ело мера за М о ле куляр но -б и о ло ги ч е ски е пр о це ссы , пр о и сх о дящи е во вр е мя р е пли ка ци и Д Н К, в о сно вно м сх о дны у эука р и о ти пр о ка р и о т. Те м не ме не е , суще ствую ти р а зли ч и я. Если б а кте р и а ль на я х р о мо со ма – о ди н р е пли ко н, то х р о мо со ма эука р и о тпо ли р е пли ко нна и по не й в ка ж ды й мо ме нтвр е ме ни мо ж е тдви га ть ся не за ви си мо др уг о тдр уга мно ж е ство р е пли ка ци о нны х ви ло к. О ста но вка пр о дви ж е ни я ви лки пр о и сх о ди т то ль ко пр и сто лкно ве ни и с др уго й ви лко й, и ли по до сти ж е ни и ко нца х р о мо со мы . Кр о ме то го , у ли не йны х мо ле кул Д Н К (в о тли ч и е о тко ль це вы х мо ле кул) суще ствуе тпр о б ле ма “ ко нце во й не до р е пли ка ци и ”. Д е ло в то м, ч то все и зве стны е Д Н К-по ли ме р а зы не спо со б ны по лно сть ю р е пли ци р о ва ть ко нцы ли не йны х Д Н К. П о это му пр о пуск, о б р а зо ва вш и йся по сле уда ле ни я кр а йне го пр а йме р а на 5′-ко нце до ч е р не й це пи Д Н К, за по лне н б ы ть не мо ж е т. В р е зуль та те вы ступа ю щи е 3′-ко нце вы е уч а стки ма те р и нско й це пи Д Н К о ста ю тся о дно тяж е вы ми , а и х 5′- ко нце вы е уч а стки - не до р е пли ци р о –

25

ва нны ми (р и суно к 8). Ка ж ды й р а унд р е пли ка ци и х р о мо со м б уде т пр и во ди ть к и х уко р о ч е ни ю на 50-60 и б о ле е нукле о ти до в. Сч и та е тся, ч то те ло ме р ы являю тся на ш и ми мо ле куляр ны ми ч а са ми , по ско ль ку о ни уко р а ч и ва ю тся с ка ж ды м кле то ч ны м де ле ни е м. Те ло ме р ы – ко нце вы е уч а стки х р о мо со м эука р и о т, со сто ящи е и з мно го кр а тно по вто р яю щи х ся ко р о тки х нукле о ти дны х по сле до ва те ль но сте й (у по зво но ч ны х – TTAGGG), связа нны х с б е лка ми . К на сто яще му вр е ме ни и зве стно , ч то те ло ме р ны е по вто р ы уб о ль ш и нства ж и вы х суще ств о ч е нь сх о ж и . 3′ 5′ 3′ 5′

5′ 3′ уда ле ни е пр а йме р а 5′ 3′ вы ступа ю щи й ко не ц

до б а вле ни е те ло ме р ны х по вто р о в к 3′-ко нцуте ло ме р а зо й 3′ 5′ 5′ •••••• 3′ “ до р е пли ка ци я” до ч е р не й це пи по ма тр и це удли не нно й це пи 3′ 5′ 5′ 3′ Ри суно к 8. Сх е ма р е пли ка ци и ко нце во го уч а стка о тста ю ще й це пи Д Н К. И зо б р а ж е н о ди н и з ко нцо в х р о мо со мы , др уго й удли няе тся а на ло ги ч ны м спо со б о м П е р вы м на пр о б ле му “ко нце во й не до р е пли ка ци и Д Н К” о б р а ти л вни ма ни е А.М . О ло вни ко в в 1971 г. О н пр е дпо ло ж и л, ч то по те р я ко нце вы х по сле до ва те ль но сте й Д Н К всле дстви е и х не до р е пли ка ци и ве де тк ста р е ни ю кле тки , т.е . о н пр е дла га л р а ссма тр и ва ть пр о це сс уко р о ч е ни я те ло ме р ка к то т“ ч а со во й ме х а ни зм”, ко то р ы й о пр е де ляе т“ р е пли ка ти вны й по те нци а л” сме р тно й кле тки . П р и ч и ну ги б е ли кле то к о н усма тр и ва л в то м, ч то пр и по сто янно й не до р е пли ка ци и и уко р а ч и ва ни и х р о мо со мы сна ч а ла и сч е за ю тте ло ме р ны е р а йо ны , за те м б ли ж а йш и е к те ло ме р а м ге ны , по то м б о ле е уда ле нны е ге ны и т.д. О ло вни ко в пр е дпо ло ж и л та кж е , ч то в не ста р е ю щи х кле тка х (к ни м, кр о ме р а ко вы х , о тно сятся е ще за р о ды ш е вы е , ство ло вы е и ге не р а ти вны е кле тки ) до лж на суще ство ва ть спе ци а ли зи р о ва нна я ф е р ме нта ти вна я си сте ма , ко то р а я ко нтр о ли р уе т и по дде р ж и ва е т дли ну те ло ме р но й Д Н К. Ги по те за О ло вни ко ва по луч и ла уб е ди те ль но е по дтве р ж де ни е в 90-е го ды , ко гда б ы л о ткр ы тф е р ме нтте ло ме р а за . С по мо щь ю это го ф е р ме нта 3′-ко нцы Д Н К х р о мо со м эука р и о т на р а щи ва ю тся пе р е д ка ж ды м р а ундо м р е пли ка ци и ко р о тки ми (6-8 нукле о ти до в) по вто р яю щи ми ся по сле до ва те ль но стями . О б р а зую щи е ся дли нны е о дно це по ч е ч -

26

ны е ко нцы , в сво ю о ч е р е дь , служ а тма тр и це й для “ до р е пли ка ци и ” ко нце вы х уч а стко в до ч е р не й це пи (т.е . во сста но вле ни я по лно р а зме р ны х те ло ме р ). П р и это м р е пли ка ци я и де т в о б ы ч но м по р ядке : на до б а вле нно м те ло ме р но м по вто р е си нте зи р уе тся ко нце во й пр а йме р , а за те м пр о и сх о ди т “ до р е пли ка ци я” 5′-ко нце во го уч а стка , в р е зуль та те ч е го до ч е р няя це пь ста но ви тся то й ж е дли ны , ч то и р о ди те ль ска я. У ни ка ль но сть те ло ме р а зы со сто и тв то м, ч то по ми мо б е лко во й ч а сти о на со де р ж и тРН К, вы по лняю щую р о ль ма тр и цы для на р а щи ва ни я Д Н К по вто р а ми . Э то да е то сно ва ни е о тне сти те ло ме р а зу к о б р а тно й тр а нскр и пта зе , т.е . ф е р ме нту, спо со б но му ве сти си нте з Д Н К по ма тр и це РН К. У ч е ло ве ка те ло ме р а за а кти вно ф ункци о ни р уе тв эмб р и о на ль ны х тка нях , в ство ло вы х и по ло вы х кле тка х . П р и ди ф ф е р е нци а ци и за р о ды ш е вы х и ли ство ло вы х кле то к а кти вно сть те ло ме р а зы па да е ти те ло ме р ы уко р а ч и ва ю тся. П о до сти ж е ни и кр и ти ч е ско й дли ны те ло ме р но й Д Н К за пуска ю тся пр о це ссы о ста но вки кле то ч но го ци кла . Д и ф ф е р е нци р о ва нны е , сме р тны е кле тки де лятся о гр а ни ч е нно е ч и сло р а з. Та к, кле тки но во р о ж де нны х в куль тур е де ли ли сь 80-90 р а з, кле тки 70-ле тне го ста р и ка – 20-30. Э то явле ни е по луч и ло на зва ни е ли ми та Х е йф ли ка по и ме ни о ткр ы вш е го е го в 1960 г. а вто р а . Д а ле е кле тки др ях ле ю ти ги б нут. Н о в янва р е 1998 г. ср е дства ма ссо во й и нф о р ма ци и во все м ми р е б уква ль но взо р ва ли сь со о б ще ни ями о то м, ч то а ме р и ка нски м уч е ны м уда ло сь за ста ви ть кле тки ч е ло ве ка пр е о до ле ть “ ли ми тХ е йф ли ка ” по ч ти вдво е . П р и это м о ни не тр а нсф о р ми р о ва ли сь в р а ко вы е , а о ста ва ли сь но р ма ль ны ми . В га зе та х по яви ли сь ста ть и с се нса ци о нны ми за го ло вка ми “ Ге не ти ки уткнули сь в б е ссме р ти е ”; “ Ле ка р ства о тста р е ни я б удутдо ступны ка к а спи р и н”, “ Та б ле тки о т ста р о сти ста нут р е а ль но сть ю ” и т.п. Та к ср е дства ма ссо во й и нф о р ма ци и и нте р пр е ти р о ва ли р е зуль та ты о пы то в уч е ны х , ко то р ы е вно си ли ге н те ло ме р а зно й а кти вно сти в со ма ти ч е ски е кле тки , пр е до твр а ща я те м са мы м уко р о ч е ни е те ло ме р , а сле до ва те ль но , и ста р е ни е кле то к. Н о уко р о ч е ни е те ло ме р – не е ди нстве нны й ф а кто р , о пр е де ляю щи й ста р е ни е о р га ни змо в, ч то вр яд ли мо ж но по ве р нуть вспять . Н о впо лне р е а ль на во змо ж но сть а кти ва ци и те ло ме р а зы в кле тка х ко ж и , пе р е са ж и ва е мо й па ци е нта м с си ль ны ми о ж о га ми , кле то к се тч а тки гла з для е е о мо ло ж е ни я упа ци е нто в с по мутне ни е м се тч а тки (это за б о ле ва ни е ш и р о ко р а спр о стр а не но у по ж и лы х лю де й и ве де тк сле по те ). В ве де ни е в р а ко вы е кле тки пр е па р а то в, связы ва ю щи х РН К-ко мпо не нтте ло ме р а зы , пр и во ди тк уко р о ч е ни ю те ло ме р с по сле дую ще й ги б е ль ю кле то к, все ляя на де ж ду на по явле ни е но вы х ср е дств б о р ь б ы с р а ко м. 1.3.2. Т ранскри п ци я Ре пли ка ци я Д Н К о тве ч а е тза во спр о и зве де ни е ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и , в то м ч и сле и мута ци й, е сли о ни пр о и зо ш ли в о дно й и з це пе й Д Н К. Ре а ли за ци я ж е ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и о суще ствляе тся в х о де е е сч и ты ва ни я (т.е . в х о де тр а нскр и пци и ) и пе р е во да это й и нф о р ма ци и в стр уктур у мо ле кулы б е лка (т.е . в х о де тр а нсляци и ). П о то к ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и

27

в это м случ а е и де т в на пр а вле ни и Д Н К→РН К→б е ло к. О б а эти пр о це сса со ста вляю тсуть ма т ри ч н о йа к т и вн о ст и ген о в и о суще ствляю тся пр и уч а сти и мо ле кул по ср е дни ко в, т.е . р а зны х ти по в РН К, стр о ящи х сво и ко пи и по ма тр и це Д Н К. Т ра н ск ри пци я – эт о сч и т ы ва н и е (“ перепи сы ва н и е”) ген ет и ч еск о й и н ф о рма ци и с со о т вет ст вующего ген у уч а ст к а двухцепо ч еч н о й ДН К н а о дн о цепо ч еч н ую мо лек улу и н ф о рма ци о н н о й РН К (и РН К), и ли ма т ри ч н ую РН К (мРН К), и ли к а к ее еще н а зы ва ют messenger РН К. Тр а нскр и пци я во мно го м сх о дна с р е пли ка ци е й. В о тли ч и е о т р е пли ка ци и Д Н К си нте з РН К (тр а нскр и пци я) и де тне на все й Д Н К-ма тр и це , а на о пр е де ле нно м е е уч а стке , где р а спо ла га е тся стр уктур ны й ге н со о тве тствую ще го б е лка (и ли тРН К, р РН К) и ли гр уппа ф ункци о на ль но сх о дны х ге но в. Т.е . тр а нскр и б и р ую тся не все , а о тде ль ны е ге ны , по тр е б но сть в пр о дукте ко то р о го (и ли ко то р ы х ) по яви ла сь в на сто ящи й мо ме нт. Ка ж до му р а б о та ю ще му ге ну (и ли гр уппе ге но в) со о тве тствуе тсво я мо ле кула мРН К. П о это мумРН К - кр а йне ге те р о ге нны й по р а зме р а м и нукле о ти дно й по сле до ва те ль но сти кла сс мо ле кул. Сч и ты ва ни е ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и пр о и сх о ди тс уч а стка о дно й це пи , по луч и вш е й на зва ни е ма т ри ч н о й (смы сло во й). В то р а я це пь , по сле до ва те ль но сть нукле о ти до в в ко то р о й со впа да е т с по сле до ва те ль но стями мРН К, на зы ва е тся к о ди рующей (и ли а н т и смы сло во й). В ы б о р тр а нскр и б и р уе мо й це пи о пр е де ляе тся о р и е нта ци е й пр о мо то р а . РН К си нте зи р уе тся в на пр а вле ни и о т5′- к 3′- ко нцу. Т а к и м о бра зо м, с мо лек улярн о й т о ч к и зрен и я ген предст а вляет со бо й специ ф и ч еск ую н ук лео т и дн ую по следо ва т ель н о ст ь , т ра н ск ри би руемую в РН К. Эт о т а к н а зы ва емы е ст рук т урн ы е ген ы , к о н еч н ы м про дук т о м к о т о ры х являют ся белк и . Ч то б ы о б е спе ч и ть тр а нскр и пци ю то ль ко о тде ль ны х се гме нто в Д Н К, до лж ны суще ство ва ть не ки е си гна ль ны е по сле до ва те ль но сти , ука зы ва ю щи е , где на ч и на е тся (и ни ци и р уе тся) тр а нскр и пци я – про мо т о р и где о на о ста на вли ва е тся (те р ми ни р уе тся) - т ерми н а т о р. Си гна лы и ни ци а ци и о б ы ч но р а спо ла га ю тся пе р е д ко ди р ую ще й по сле до ва те ль но сть ю (5′ф ла нки р ую ща я по сле до ва те ль но сть ), а те р ми на ци и – по сле (3′ф ла нки р ую ща я по сле до ва те ль но сть ). У ч а сто к Д Н К, о гр а ни ч е нны й пр о мо то р о м и те р ми на то р о м, пр е дста вляе тсо б о й е ди ни цутр а нскр и пци и - тр а нскр и пто н. У эука р и о тв со ста в тр а нскр и пто но в вх о ди т, ка к пр а ви ло , то ль ко о ди н ге н, а у пр о ка р и о т тр а нскр и пто ны по ли ци стр о нны и ч а сто со де р ж а тне ско ль ко ф ункци о на ль но связа нны х ге но в, о р га ни зо ва ны х в о пе р о ны . П о это му си нте зи р уе ма я на о пе р о на х мРН К являе тся по ли ци стр о нно й и мо ж е тб ы ть и спо ль зо ва на для си нте за не ско ль ки х б е лко в, в о тли ч и е о тмо но ци стр о но вы х мРН К эука р и о т, служ а щи х ма тр и це й для о дно го о пр е де ле нно го б е лка . В тр а нскр и пци и , ка к и в др уги х ма тр и ч ны х пр о це сса х , р а зли ч а ю т3 эта па : и ни ци а ци ю , эло нга ци ю и те р ми на ци ю . И ни ци а ци ю тр а нскр и пци и о суще ствляе тф е р ме нтД Н К-за ви си ма я РН К-по ли ме р а за , и ли пр о сто РН Кпо ли ме р а за , путе м пр и со е ди не ни я к о пр е де ле нно й ста р то во й то ч ке (про -

28

мо т о ру), ко то р ы й на х о ди тся в на ч а ле ге на и ли гр уппы ф ункци о на ль но связа нны х ге но в. У пр о ка р и о т е ди нстве нна я РН К-по ли ме р а за , со сто яща я и з ч е ты р е х суб ъе ди ни ц (2αββ′), си нте зи р уе т все ти пы РН К: мРН К, тРН К и р РН К. Э то т ми ни ма ль ны й ф е р ме нт (2αββ′) о суще ствляе т тр а нскр и пци ю , но не спо со б е н “узна ва ть ” на Д Н К спе ци ф и ч е ски е ста р то вы е то ч ки это го пр о це сса . Д ля “узна ва ни я” пр о мо то р о в к ми ни ма ль но му ф а кто р у до лж на пр и со е ди ни ть ся е ще о дна е ди ни ца σ (си гма ) – ф а к т о р. Н укле о ти дны е по сле до ва те ль но сти пр о мо то р о в о б ы ч но б о га ты АТ-па р а ми , и ли ТАТАпо сле до ва те ль но стями (та к на зы ва е мы ми по сле до ва те ль но стями П р и б но ва ). Ре гуляци я тр а нскр и пци и у эука р и о то тли ч а е тся о тта ко во й у пр о ка р и о т сле дую щи ми о со б е нно стями . У эука р и о т и ме е тся тр и ти па РН Кпо ли ме р а з, ко то р ы е тр а нскр и б и р ую тРН К с тр е х р а зны х ти по в ге но в. РН Кпо ли ме р а за I сч и ты ва е т ге ны 18S, 28S и 5,8S р и б о со мно й РН К (р РН К), РН К-по ли ме р а за II сч и ты ва е т мРН К с ге но в, ко ди р ую щи х по ли пе пти лы , РН К-по ли ме р а за III тр а нскр и б и р уе тге ны 5S р РН К и тРН К. Д ля и ни ци а ци и тр а нскр и пци и у эука р и о т не о б х о ди мо в о б ла сти пр о мо то р а о б р а зо ва ни е тр а нскр и пци о нно го ко мпле кса , куда вх о ди т РН К-по ли ме р а за и а кти ви зи р ую щи е е е б е лки (ф а кто р ы тр а нскр и пци и ). Ф а кто р о м тр а нскр и пци и на зы ва ю т лю б о й б е ло к, ко то р ы й не о б х о ди м для и ни ци а ци и тр а нскр и пци и , но не являе тся со б стве нно РН К-по ли ме р а зо й. О б щи е ф а кто р ы тр а нскр и пци и к на сто яще му вр е ме ни о ч и ще ны и вы де ле ны . И х ш е сть : TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH. О ни о б о зна ч а ю тся пе р вы ми б уква ми сло в transcription factors –TF с до б а вле ни е м р и мско й ци ф р ы I, II и ли III в за ви си мо сти о т то го , ка ка я это РН К-по ли ме р а за - I, II и ли III. Д а ле е сле дуе т о б о зна ч е ни е со б стве нно б е лко во й мо ле кулы . Н а ко не ц, б о ль ш и нство р е гулято р ны х б е лко в у эука р и о тмо гутвли ять на ско р о сть тр а нскр и пци и , да ж е е сли эти б е лки связы ва ю тся с уч а стка ми Д Н К, р а спо ло ж е нны ми за ты сяч и па р нукле о ти до в о тпр о мо то р а . Э то о зна ч а е т, ч то лю б о й ко нкр е тны й пр о мо то р мо ж е т на х о ди ть ся по д ко нтр о ле м не о гр а ни ч е нно го ч и сла р е гулято р ны х по сле до ва те ль но сте й, р а зб р о са нны х по ге но му. П р о мо то р ы эука р и о т устр о е ны б о ле е сло ж но , ч е м пр о ка р и о ти ч е ски е . П о ми мо ТАТАпо сле до ва те ль но сте й (ко то р ы е на зы ва ю тся по сле до ва те ль но стями Х о гне сса ), и ме ю тся CAAT- и GC-по сле до ва те ль но сти . РН К-по ли ме р а за о суще ствляе т на р а щи ва ни е це пи мРН К (и ли эло нга ци ю ) путе м по дб о р а ко мпле ме нта р ны х уч а стку смы сло во й це пи нукле о ти до в и пр е кр а ща е тэто т пр о це сс, до сти га я сто п-си гна ла . Та ки м о б р а зо м, мРН К – это о дно це по ч е ч на я мо ле кула , ко мпле ме нта р на я о дно му и з уч а стко в смы сло во й це пи Д Н К. мРН К являе тся ко пи е й о дно го и ли гр уппы ле ж а щи х р ядо м ге но в, вы по лняю щи х о дну ф ункци ю . Э то та к на зы ва е мы й пе р ви ч ны й тр а нскр и пт и ли ге те р о ге нна я яде р на я РН К, и ли пр о -мРН К, вклю ч а ю щи й уэука р и о ти нтр о ны и экзо ны .

29

1.3.2.1. П ро цесси н г и спла йси н г мРН К У пр о ка р и о тстр уктур ны й ге н пр е дста вляе тсо б о й не пр е р ы вны й уч а сто к мо ле кулы Д Н К. Тр а нскр и пци я на ч и на е тся со связы ва ни я РН Кпо ли ме р а зы с пр о мо то р о м и да ле е по сле до ва те ль но ко пи р уе тся ве сь стр уктур ны й ге н (ко ди р ую ща я о б ла сть ) о тпе р во го нукле о ти да до по сле дне го с о б р а зо ва ни е м ф ункци о на ль но й мРН К. У эука р и о тб о ль ш и нство стр уктур ны х ге но в со сто и ти з не ско ль ки х ди скр е тны х ко ди р ую щи х о б ла сте й (экзо но в), р а зде ле нны х не ко ди р ую щи ми о б ла стями (и нтр о на ми ). И нтр о ны тр а нскр и б и р ую тся на р а вне с экзо на ми , та к ч то пр е дш е стве нни к мРН К, на зы ва е мы й пр о -мРН К (пе р ви ч ны й тр а нскр и пт, ге те р о ге нна я яде р на я РН К), пр е дста вляе тсо б о й по лную ко пи ю ге на . О дна ко в пр о це ссе тр а нсляци и та ки е тр а нскр и пты уч а сти я не пр и ни ма ю т. В х о де со зр е ва ни я (пр о це сси нга ) уч а стки пр о -мРН К, со о тве тствую щи е и нтр о на м, вы р е за ю тся с по мо щь ю нукле а з, а экзо ны сш и ва ю тся др уг с др уго м (спла йси нг) ли га зо й с о б р а зо ва ни е м ф ункци о на ль но й (зр е ло й) мРН К уж е суще стве нно ме нь ш е го р а зме р а (р и суно к 9), по ко то р о й си нте зи р ую тся б е лки . Э кзо ны Ге н 5′ П

1

2

3

4

3

4

Т 3′

И нтр о ны пр о -и РН К

Си нте з РН К 1 2

П р о це сси нг и спла йси нг Зр е ла я мРН К 1 2 5′ Кэп

3

4

П о ли А 3′

Ри суно к 9. П р о це сси нг и спла йси нг мРН К П р о це сси нг пе р ви ч ны х тр а нскр и пто в вклю ч а е ти мо ди ф и ка ци ю 5′- и 3′-ко нца . К 5′-ко нцу пр и со е ди няе тся 7-ме ти лгуа но зи н (5′-кэп). Сч и та ю т, ч то пр о це сс кэпи р о ва ни я (ме ти ли р о ва ни я) за щи ща е тмРН К о тр а зр уш е ни я эндо нукле а за ми и спо со б ствуе т е е “узна ва ни ю ” р и б о со ма ми . К 3′-ко нцу до б а вляе тся по ли (А) – х во ст. П о ли а де ни ли р о ва ни е (ф е р ме нта ти вно е пр и со е ди не ни е 100-200 не ско ль ки х о ста тко в а де ни на с о б р а зо ва ни е м по ли -А х во ста ) пр и во ди тк уве ли ч е ни ю вр е ме ни ж и зни мРН К, а та кж е о б е спе ч и ва е те е тр а нспо р тв ци то пла зму. Э ти пр о це ссы о суще ствляю тся в ядр е , а в ци то пла зму, где пр о и сх о ди т б и о си нте з б е лка , вы х о ди т уж е зр е ла я мРН К (не со де р ж а ща я и нтр о но в). П р и ч е м, си нте зи р уе мы й б е ло к ко ли не а р е н по стр уктур е со о тве тствую ще й мРН К, т.е . по сле до ва те ль но сть нукле о ти до в ге на о пр е де ляе тпо сле до ва те ль но сть а ми но ки сло тв по ли пе пти дно й це пи .

30

1.3.2.2. Аль т ерн а т и вн ы йспла йси н г Спла йси нг и но гда о суще ствляе тся по а ль те р на ти вно му ва р и а нту. В это м случ а е с о дно го ге на сч и ты ва е тся б о ле е о дно го ти па мРН К с р а зны м на б о р о м экзо но в, а сле до ва те ль но , си нте зи р уе тся не ско ль ко р а зны х б е лко в. П р и ч е м, это тпр о це сс та кж е ге не ти ч е ски ко нтр о ли р уе тся. Н а пр и ме р , в о дно й тка ни ф ункци о на ль на я мРН К мо ж е т о б р а зо ва ть ся в р е зуль та те со е ди не ни я все х экзо но в пе р ви ч но го тр а нскр и пта , а в др уго й ка ко й-то экзо н б уде твы р е за н вме сте с ф ла нки р ую щи ми е го и нтр о на ми и о б р а зуе тся др уга я ф ункци о на ль на я мРН К. В др уго м ж е случ а е со е ди не ни е экзо но в пр о и сх о ди тв р а зны х ко мб и на ци ях (а не в то м по р ядке , в ко то р о м о ни р а спо ла га ли сь в ге не ). Н а пр и ме р , е сли ге н со де р ж и твсе го ш е сть экзо но в (с 1-го по 6-й), в о дно м ти пе мРН К о ни мо гутр а спо ла га ть ся в по р ядке 1,2,3,4,5,6, в др уги х РН К по р ядо к мо ж е т б ы ть и ны м, на пр и ме р , 4,5,6,1,2,3 и ли 2,5,6 и ли 1,3,5. И ли пр и на ли ч и и в ге не а ль т ерн а т и вн ы х про мо т о ро в р а зны е ти пы РН К мо гут си нте зи р о ва ть ся с р а зны х са йто в и ни ци а ци и тр а нскр и пци и . А ль т ерн а т и вн ы й про мо т о р – это сло ж ны й пр о мо то р , со сто ящи й по кр а йне й ме р е и з двух не за ви си мо ф ункци о ни р ую щи х ч а сте й, р а спо ло ж е нны х пе р е д р а зны ми экзо на ми о дно го ге на . Суще ствую т и б о ле е сло ж ны е ва р и а нты а ль те р на ти вно го спла йси нга . Бла го да р я а ль те р на ти вно му спла йси нгу в р а зны х тка нях мо гут о б р а зо вы ва ть ся р а зны е пр о дукты о дно го и то го ж е стр уктур но го ге на , т.е . р а зны е б е лки . Н а пр и ме р , пр и экспр е сси и о дно го и то го ж е ге на ка ль ци то ни на (и ме ю ще го 4 экзо на и 5 и нтр о но в) в кле тка х щи то ви дно й ж е ле зы мле ко пи та ю щи х си нте зи р уе тся ка ль ци то ни н (го р мо н, р е гули р ую щи й о б ме н ка ль ци я и ф о сф о р а в о р га ни зме мле ко пи та ю щи х ; в мРН К экзо ны р а спо ла га ю тся в по р ядке 1,2 и 3), а в кле тка х не р вно й тка ни – да ле ки й о тне го по сво йства м пе пти дны й го р мо н (CGRPcalcitionin gene related peptide; по р ядо к р а спо ло ж е ни я экзо но в в мРН К – 1,2 и 4). О б а пе пти да со де р ж а ту ч е ло ве ка по 128 а ми но ки сло т, о дна ко и де нти ч ны ли ш ь пе р вы е 78. Д р уго й пр и ме р . В со ста ве ге на а ми ла зы мы ш и а ль те р на ти вны й пр о мо то р со ста вле н двумя эле ме нта ми , в р е зуль та те ч е го б о ле е дли нна я мРН К (и со о тве тствую щи й б е ло к) о б р а зуе тся в слю нны х ж е ле за х , а б о ле е ко р о тка я – в пе ч е ни . Аль те р на ти вны й спла йси нг о б е спе ч и ва е тто нкую р е гуляци ю р а б о ты ге но в у эука р и о т, ди ф ф е р е нци р о вку тка не й, о пр е де ляе т р а зви ти е р а зли ч ны х пр и зна ко в, де те р ми ни р о ва нны х о дни м ге но м. Аль те р на ти вны й спла йси нг мо ж е ти гр а ть р е ш а ю щую р о ль в эво лю ци и вы сш и х эука р и о т. У ни зш и х эука р и о т (на пр и ме р др о ж ж е й) спла йси нг р е гули р уе тся зна ч и те ль но б о ле е стр о го , ч то о гр а ни ч и ва е т по явле ни е но вы х мРН К с о дно го ге на . У ч е ло ве ка о ко ло 1/3 все х ге но в мо ж е тко ди р о ва ть в сво е й стр уктур е б о ле е о дно го б е лка (т.е . р а зны е б е лки ко ди р ую тся р а зны ми со ч е та ни ями экзо но в о дно го и то го ж е ге на ). Т.е . для ч а сти ге но в ч е ло ве ка де йствуе тпр и нци п: “ о ди н ге н – мно го б е лко в” И ме нно эти м мо ж но о б ъясни ть то т ф а кт, ч то пр о те о м ч е ло ве ка со де р ж и т по ч ти в 8 р а з б о ль ш е б е лко в (пр и ме р но 250 ты с р а зли ч ны х б е лко в) по ср а вне ни ю с ч и сло м б е ло к-ко ди р ую щи х ге но в (все го о ко ло 32 ты с. ге но в).

31

1.3.2.3. Ко ди ро ва н и е ген ет и ч еск о йи н ф о рма ци и В о пр о с о то м, ка к и ме нно за ко ди р о ва на ге не ти ч е ска я и нф о р ма ци я в стр уктур е мо ле кулы Д Н К, б ы л р е ш е н вско р е по сле о ткр ы ти я У о тсо но м и Кр и ко м пр о стр а нстве нно й стр уктур ы Д Н К. Бы л уста но вле н генет и ч ески й код, т.е . е ди на я си сте ма за пи си ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и в мо ле кула х нукле и но вы х ки сло тв ви де по сле до ва те ль но сти нукле о ти до в, о пр е де ляю ща я по сле до ва те ль но сть р а спо ло ж е ни я а ми но ки сло тв мо ле куле б е лка . Ге не ти ч е ски й а лф а ви тсо сто и твсе го и з ч е ты р е х нукле о ти до в, о тли ч а ю щи х ся ли ш ь по а зо ти сто му о сно ва ни ю (A, G, C, T). То ль ко о дна и з двух ни те й Д Н К ко ди р уе та ми но ки сло ты , по это му ко д – это по сле до ва те ль но сть нукле о ти до в, а не па р нукле о ти до в. Ка ко ва ж е до лж на б ы ть пр и р о да ко да , по зво ляю ща я ко ди р о ва ть все 20 а ми но ки сло т, вх о дящи х в со ста в б е лка ? В 1954 г. ма те ма ти к Г.А. Га мо в р а ссч и та л во змо ж но е ко ли ч е ство со ч е та ни й ч е ты р е х р а зли ч ны х нукле о ти до в. П р и и х ко мб и на ци и по 2 (42=16) во змо ж но 16 со ч е та ни й, по 3 (43=64), по 4 (44=256). Д ля ко ди р о ва ни я 20 а ми но ки сло тсо ч е та ни е нукле о ти до в по 3 о ка за ло сь на и б о ле е пр и е мле мы м. В 1961 г. Ф . Кр и к с со тр удни ка ми по луч и ли экспе р и ме нта ль но е до ка за те ль ство тр и пле тно сти ге не ти ч е ско го ко да . О ни и зуч а ли пр ямы е и о б р а тны е мута ци и rII ф а га T4, по луч е нны е с по мо щь ю про ф ла ви н а . П р о ф ла ви н вы зы ва л вста вки и ли по те р и о тде ль ны х нукле о ти до в в мо ле куле Д Н К. Бы ло по ка за но , ч то пр и вста вке и ли по те р е о дно го и ли двух нукле о ти до в сч и ты ва ни е ге не ти ч е ско го ко да на р уш а е тся, в то вр е мя ка к тр е х – не т. Ка ки е и ме нно тр и пле ты ко ди р ую тте и ли и ны е а ми но ки сло ты , б ы ло уста но вле но по сле о пы то в М . Н и р е нб е р га и Г. М а тте а (1961), пр о ч и та вш и х пе р вую б укву ге не ти ч е ско го ко да . О ни по ме ща ли и скусстве нно си нте зи р о ва нную мРН К, в со ста в ко то р о й вх о ди л то ль ко ур а ци л (по ли ур и ди ло вую ки сло ту), в б е скле то ч ную си сте му, по луч е нную и з E. coli и вклю ч а ю щую р и б о со мы , по лны й на б о р а ми но ки сло ти ф е р ме нты , не о б х о ди мы е для си нте за б е лка . В та ко й си сте ме б ы л си нте зи р о ва н, о дна ко , б е ло к, вклю ч а ю щи й в сво й со ста в то ль ко а ми но ки сло ту ф е ни ла ла ни н, не смо тр я на пр и сутстви е и х по лно го на б о р а в ср е де . Та ки м о б р а зо м, б ы ло уста но вле но , ч то вклю ч е ни е в по ли пе пти дную це пь а ми но ки сло ты ф е ни ла ла ни на ко ди р уе ттр и пле тUUU. К 1965 г. Х . Ко р а на , П . Ле де р и М . Н и р е нб е р г со ста ви ли по лны й ко до вы й сло ва р ь , р а сш и ф р о ва в по сле до ва те ль но сти все х 64 ко до но в. О ка за ло сь , ч то не все и з ни х спо со б ны ко ди р о ва ть а ми но ки сло ты , а ли ш ь 61, на зва нны е о смы слен н ы ми к о до н а ми , в то вр е мя ка к тр и ко до на : UAA, UAG, UGA за не спо со б но сть ко ди р о ва ть а ми но ки сло ты б ы ли на зва ны н о н сен ск о до н а ми и ли бессмы слен н ы ми . О дна ко по здне е б ы ла уста но вле на и х и склю ч и те ль но б о ль ш а я р о ль в сч и ты ва ни и ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и в ка ч е стве ст о п-си гн а ло в, пр е р ы ва ю щи х сч и ты ва ни е и нф о р ма ци и с мо ле кулы Д Н К. Та ки м о б р а зо м, с и х по мо щь ю ге ны ф ункци о на ль но о тде ляю тся др уг о тдр уга . О ни по луч и ли да ж е со б стве нны е и ме на : UAA - о х р а , UAG- а мб е р , UGA – о па л. В р е зуль та те эти х и ссле до ва ни й Кр и ко м в ко нце 60-х гг.

32

XX ве ка б ы ла со ста вле на та б ли ца РН К-а ми но ки сло тно го ко да в е го со вр е ме нно м ви де (р и суно к 10).

Тр е ти й нукле о ти д ко до на (3′-ко не ц)

П е р вы й нукле о ти д ко до на (5′-ко не ц)

В то р о й нукле о ти д ко до на U C A G UUU UCU UAU UGU U Phe Tyr Cys UUC UCC UAC UGC C Ser U UUA UCA UAA сто п UGA Сто п A Leu UCG UAG сто п UGG Trp G UUG CUU CCU CAU CGU U His CUC CCC CAC CGC C C Leu Pro Arg CUA CCA CAA CGA A Gln CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU Ser U Asn AUC Ile ACC AAC AGC C A Thr AUA ACA AAA AGA A Lys Arg AUG Met ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U Asp GUC GCC GAC GGC C G Val Ala Gly GUA GCA GAA GGA A Glu GUG GCG GAG GGG G П р и ме ч а ни е : И спо ль зо ва ны сле дую щи е со кр а ще ни я на зва ни й а ми но ки сло т: Ala – а ла ни н, Arg – а р ги ни н, Asn - а спа р а ги но ва я ки сло та , Asp – а спа р а ги н, Gin – ги сти ди н, Cys – ци сте и н, Gly – гли ци н, Glu – глута ми н, Gln – глута ми но ва я ки сло та , Ile – и зо ле йци н, Leu – ле йци н, Lys – ли зи н, Met - ме ти о ни н, Phe – ф е ни ла ла ни н, Pro – пр о ли н, Ser- се р и н, Tyr – ти р о зи н, Thr – тр е о ни н, Trp – тр и пто ф а н, Val – ва ли н. Ри суно к 10. Ге не ти ч е ски й ко д (РН К-а ми но ки сло тны й ко д) О сно вны е сво йства ге не ти ч е ско го ко да сле дую щи е : 1) ко д т ри плет ен ; о н ч и та е тся гр уппа ми по 3 нукле о ти да . Ка ж да я а ми но ки сло та ко ди р уе тся тр е мя нукле о ти да ми , ко то р ы е на зы ва ю т т ри плет о м и ли к о до н о м. Ко до н – ми ни ма ль на я е ди ни ца ф ункци и . О н о пр е де ляе твклю ч е ни е в по ли пе пти дную це пь о дно й ко нкр е тно й а ми но ки сло ты ; 2) ко д ун и верса лен , т.е . у все х ж и вы х о р га ни змо в о ди на ко вы е тр и пле ты ко ди р ую т о ди на ко вы е а ми но ки сло ты . В 1962 г. В и тма нн и со а вт. по ка за ли , ч то пр и нци пы ко да , уста но вле нны е в о пы та х с б а кте р и о ф а га ми , б а кте р и ями и мле ко пи та ю щи ми , пр и ло ж и мы и к РН К-со де р ж а щи м ви р уса м, ге не ти ч е ска я и нф о р ма ци я ко то р ы х за пи са на в мо ле куле РН К. Э то сви де те ль ствуе т о е ди но й ге не ти ч е ско й о сно ве все й ж и во й ма те р и и на Зе мле . В о тпо ч е му ге ны ч е ло ве ка , вве де нны е в кле тку б а кте р и и , спо со б ны ко ди р о ва ть си нте з спе ци ф и ч е ско го б е лка . Э то со зда е т пр е дпо сы лки для ма ни пуляци и ге на ми , ге нно й и нж е не р и и . Н о эта уни ве р са ль но сть не а б со -

33

лю тна . Н е ко то р ы е о ткло не ни я б ы ли о б на р уж е ны для ми то х о ндр и а ль ны х ге но мо в, ч то пр е дста вляе ти нте р е с с то ч ки зр е ни я эво лю ци и да нны х о р га не лл. Та к, у мле ко пи та ю щи х ко до ны AUU, AUC, AUA ко ди р ую ти зо ле йци н, а в ми то х о ндр и ях эти ко до ны служ а т ста р т-си гна ла ми . У др о ж ж е й ко до н CUA ко ди р уе ттр е о ни н вме сто ле йци на . 3) ко д н еперек ры ва ющи йся, т.е . два со се дни х ко до на не и ме ю т о б щи х нукле о ти до в. 4) ко д не и ме е т“ за пяты х ”, т.е . сч и ты ва е тся не пр е р ы вно с ф и кси р о ва нно й (ста р то во й) то ч ки в пр е де ла х ге на в о дно м на пр а вле ни и (о т5′- к 3′ко нцу). Сч и ты ва ни е на ч и на е тся на о дно м ко нце ге на и за ка нч и ва е тся на др уго м. Д ва ко до на AUG и GUG р а б о та ю т“ по со вме сти те ль ству”. О ни ко ди р ую тси нте з ме ти о ни на (AUG) и ли ва ли на (GUG), е сли р а спо ла га ю тся в стр уктур но й ч а сти ге на . Если ж е о ни на х о дятся в на ч а ле ге на , то служ а т “ ста р т-си гна ла ми ”. В ко нце ге на сто ят те р ми ни р ую щи е ко до ны (“ сто пси гна лы ”). К ни м о тно сятся в Д Н К: ATT, ACT, ATC; в РН К: UAA, UAG и ли UGA. О ни не ко ди р ую т а ми но ки сло т. И нте р ва л ме ж ду ста р то вы м и сто п-ко до но м на зы ва е тся о ткр ы то й р а мко й сч и ты ва ни я (ORF). Ра мки сч и ты ва ни я мо гут пе р е кр ы ва ть ся. П р и это м р а мка сч и ты ва ни я о дно го ге на сдви нута на о дну и ли две па р ы нукле о ти до в о тр а мки сч и ты ва ни я др уго го ге на . П о до б на я си туа ци я на зы ва е тся “ ге н внутр и ге на ” (пе р е кр ы ва ю щи е ся ге ны ) и встр е ч а е тся у це ло го р яда ви р усо в (на пр и ме р , б а кте р и о ф а го в ϕХ 174, Т4, ви р уса мле ко пи та ю щи х SV40). Н о в ка ж до м и з пе р е кр ы ва ю щи х ся ге но в тр и пле ты все та кж е сч и ты ва ю тся с ф и кси р о ва нно й то ч ки (с р а зны х ста р то вы х то ч е к о дно й и то й ж е нукле о ти дно й по сле до ва те ль но сти ). П р и сутстви е пе р е кр ы ва ю щи х ся р а мо к сч и ты ва ни я уве ли ч и ва е тге не ти ч е скую е мко сть ма ле нь ко го ге но ма ви р усо в. Ста р тге на № 1 GTTTATGGTACGC Ста р тге на № 2 5) ко д вы ро ж ден н ы й, т.е . о дна а ми но ки сло та мо ж е т ко ди р о ва ть ся не ско ль ки ми тр и пле та ми (ко до на ми -си но ни ма ми ). И з 20 а ми но ки сло т то ль ко две ко ди р ую тся о дни м ко до но м: ме ти о ни н – AUG и тр и пто ф а н – UGG, о ста ль ны е – двумя и б о ле е . Н а пр и ме р , а ми но ки сло та ле йци н ко ди р уе тся ш е сть ю р а зны ми ко до на ми : UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG. Э ти м о б ъясняе тся и зб ы то ч но сть ко до но в. Бо ль ш и нство ко до но вси но ни мо в р а зли ч а е тся то ль ко по сле дни м о сно ва ни е м тр и пле та . П о это му го во р ят, ч то ко д вы р о ж де н по тр е ть е му о сно ва ни ю . Н а пр и ме р , а ми но ки сло та а ла ни н ко ди р уе тся ч е ты р ь мя ко до на ми , р а зли ч а ю щи ми ся по тр е ть е му о сно ва ни ю : GCU, GCC, GCA, GCG. П р и сч и ты ва ни и на сле дстве нно й и нф о р ма ци и с мРН К по ло ж е ни е пе р во го о сно ва ни я тр и пле та о пр е де ляе тра мк у сч и т ы ва н и я. П о ско ль ку ге -

34

не ти ч е ски й ко д тр и пле те н, ч и сло во змо ж ны х р а мо к сч и ты ва ни я р а вно тр е м. Н а пр и ме р , для по сле до ва те ль но сти ACG: ACGACGACG CGACGACGA GACGACGAC В пр и нци пе нукле о ти дна я по сле до ва те ль но сть мо ж е т тр а нсли р о ва ть ся в лю б о й и з тр е х р а мо к сч и ты ва ни я, ка ж да я и з ко то р ы х о пр е де ляе т со ве р ш е нно и ную по ли пе пти дную це пь . Ка ка я ж е и з тр е х р а мо к сч и ты ва е тся в де йстви те ль но сти о пр е де ляе тся ме сто м, где на ч и на е тся сб о р ка р и б о со м в ста ди и и ни ци а ци и , т.е . где 2 суб ъе ди ни цы р и б о со м о б ъе ди няю тся на мо ле куле мРН К и на ч и на е тся си нте з по ли пе пти да . И зме не ни я р а мки сч и ты ва ни я, связа нны е с вы па де ни е м и ли до б а вле ни е м о дно го и ли не ско ль ки х нукле о ти до в, на р уш а ю т по сле до ва те ль но сть а ми но ки сло тпр и сб о р ке б е лка и пр и во дятк мут а ци и “ сдви г ра мк и сч и т ы ва н и я”. И ме нно мута ци и , о б усло вле нны е “ сдви го м р а мки сч и ты ва ни я” со ста вляю тзна ч и те ль ную до лю спо нта нны х мута ци й. П р и ч и но й по явле ни я та ко го ти па мута ци й мо ж е тб ы ть и во зде йстви е не ко то р ы х х и ми ч е ски х ве ще ств, на пр и ме р , а кр и ди но вы х со е ди не ни й. Д е ф о р ми р уя стр уктур у дво йно й спи р а ли Д Н К, о ни пр и во дятк вста вке до по лни те ль ны х нукле о ти до в. В ста вки ч а сто о б е спе ч и ва ю ти мо б и ль ны е ге не ти ч е ски е эле ме нты . П р и ч и но й вы па де ни я нукле о ти до в мо ж е тб ы ть , на пр и ме р , р е нтге но вско е о б луч е ни е . У спе х и в р а сш и ф р о вке ге не ти ч е ско го ко да б ы ли связа ны с вы ясне ни е м тр а нсли р ую ще й р о ли мо ле кул РН К: мРН К, р РН К, тРН К. Бы ло уста но вле но , ч то РН К – это “ по сла нцы ” ге но в, о тве тстве нны е за внутр и кле то ч ную тр а нспо р ти р о вку ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и и е е пр е о б р а зо ва ни е в по сле до ва те ль но сть а ми но ки сло тв х о де т ра н сляци и и ли би о си н т еза белка . 1.3.2.4. П ут и перен о са ген ет и ч еск о йи н ф о рма ци и в к лет к е П ути пе р е но са ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и в кле тке б ы ли о б о б ще ны Ф . Кр и ко м в 1956 г. в ви де “ Ц е нтр а ль но й до гмы мо ле куляр но й б и о ло ги и ”, до р а б о та нно й и м в 70-х гг, со гла сно ко то р о й на сле дстве нна я и нф о р ма ци я пе р е да е тся то ль ко в о дно м на пр а вле ни и : Д НК ↔ Д НК → РН К → б е ло к р е пли ка ци я тр а нскр и пци я тр а нсляци я П о сле дую щи е на уч ны е до сти ж е ни я уч е ны х вне сли ко р р е кти ву в эту сх е му(р и суно к 11). I. О сно вно й (кла сси ч е ски й=о б щи й) путь пе р е но са ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и (по ме ч е нны й на сх е ме спло ш но й ли ни е й): - Д Н К→Д Н К (во спр о и зве де ни е и нф о р ма ци и пр и р е пли ка ци и Д Н К) - Д Н К→РН К→б е ло к (тр а нскр и пци я и тр а нсляци я). II. Спе ци а ли зи р о ва нны й пе р е но с ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и в кле тке (б о ле е р е дки й), по ме ч е нны й на сх е ме пункти р ны ми ли ни ями :

35

- РН К→РН К (р е пли ка ци я РН К, т.е . си нте з РН К по РН К-ма тр и це ). Э то т пр о це сс пр о и сх о ди т с по мо щь ю ф е р ме нта РН К-р е пли ка зы у РН Ксо де р ж а щи х ви р усо в, уко то р ы х РН К являе тся ге но мно й. - РН К→Д Н К (о б р а тна я тр а нскр и пци я). - Д Н К→б е ло к: о тД Н К не по ср е дстве нно к б е лка м: (тр а нсляци я б е лка ). Бы ло по ка за но , ч то в пр и сутстви и не ко то р ы х а нти б и о ти ко в (на пр и ме р , стр е пто ми ци на ) р и б о со мы мо гутсвязы ва ть ся с о дно це по ч е ч ны ми ко ль це вы ми Д Н К и не по ср е дстве нно и х тр а нсли р о ва ть . П е р е но с это го ти па в пр и р о де не на йде н и на б лю да лся то ль ко в ла б о р а то р ны х усло ви ях . В се вы ш е пе р е ч и сле нны е пути пе р е но са и нф о р ма ци и о суще ствляю тся на ма тр и ч но й о сно ве . III. Н е во змо ж ны е (за пр е ще нны е ) пути пе р е но са : б е ло к→б е ло к, б е ло к→Д Н К, б е ло к→РН К. Бе ло к не мо ж е т служ и ть ма тр и це й для си нте за Д Н К и ли РН К, т.к. у мо ле кул б е лка не тсво йства ко мпле ме нта р но сти о тде ль ны х ч а сте й мо ле кулы , ч то по зво ли ло б ы и спо ль зо ва ть е е ка к ма тр и цу. Э то о зна ч а е т, ч то мо ди ф и ка ци и б е лко в (ге нны х пр о дукто в) не на сле дую тся. Д НК

РН К

Бе ло к

Ри суно к 11. “ Ц е нтр а ль на я до гма мо ле куляр но й б и о ло ги и ” (Кр и к,1970) Спло ш ны е стр е лки по ка зы ва ю т о б ы ч ны й (о сно вно й) путь пе р е но са ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и , пункти р ны е – б о ле е р е дки е (спе ци а ли зи р о ва нны е ) пути , та кж е суще ствую щи е в пр и р о де .

1.3.2.5. Обра т н а я т ра н ск ри пци я В 1970 г. Х . Те ми н и Д . Ба лти мо р о ткр ы ли в РН К-со де р ж а щи х о нко ге нны х ви р уса х , тр а нсф о р ми р ую щи х но р ма ль ны е кле тки в р а ко вы е (р е тр о ви р уса х ), ф е р ме нт о бра т н ую т ра н ск ри пт а зу, ка та ли зи р ую щую си нте з Д Н К на ма тр и це РН К. Ко гда ви р ус по па да е т в кле тку-х о зяи на , о б р а тна я тр а нскр и пта за (о на ж е РН К за ви си ма я ДН К-по ли мера за и ли реверт а за ) о б е спе ч и ва е тси нте з ко мпле ме нта р но й Д Н К (кД Н К) на ма тр и це ви р усно й РН К, по дго та вли ва я е е для и нте гр а ци и в ге но м кле тки и нф и ци р о ва нно го о р га ни зма . Ре тр о ви р усы со де р ж а т2 ко пи и о дно це по ч е ч но й мо ле кулы РН К ге но ма , т.е . ви р усы это го ти па являю тся е ди нстве нно й р а зно ви дно сть ю ди пло и дны х ви р усо в. В пе р вы е та ко й ви р ус б ы л о пи са н Ра усо м в 1911 г, о б на р уж и вш и м и нф е кци о нную са р ко му у кур . Д Н К-ко пи и р е тр о ви р усно го ге но ма встр а и ва ю тся в Д Н К х р о мо со м кле то к и нф и ци р о ва нно го х о зяи на в ви де про ви руса . В на ч а ле 1970-х гг. б ы ли по луч е ны да нны е , ч то в ви р усе са р ко мы Ра уса со де р ж и тся ге ны (о нко ге ны ), тр а нскр и пци я ко то р ы х вы зы ва е т зло ка ч е стве нно е пе р е р о ж де ни е и нф и ци р о ва нны х кле то к. В 1981 г.

36

б ы л вы де ле н пе р вы й о нко ге н и з ви р уса са р ко мы кур и цы - src. В ве де ни е е го в кле тку б е з ви р уса вы зы ва ло тр а нсф о р ма ци ю кле тки . Т.е . ви р усы вы зы ва ю т о пух о ль не са ми по се б е , а вно ся в ге не ти ч е ски й а ппа р а т кле тки о нко ге н и за кр е пляя е го в ге но ме . И зме не нны е сво йства о пух о ле вы х кле то к на сле дую тся, та к ка к пр о ви р ус р е пли ци р уе тся вме сте с х р о мо со мо й кле тки -х о зяи на . Н а Д Н К-ко пи и р е тр о ви р усо в стр о и тся РН К-ко пи я, ко то р а я в да ль не йш е м вклю ч а е тся в ви р и о н (со б стве нно ви р усна я ч а сти ца ) и ли служ и т пр о ме ж уто ч но й ста ди е й пр и пе р е ме ще ни и ви р уса в но вую то ч ку ло ка ли за ци и . М и гр и р уя, не ко то р ы е ви р усы мо гутза х ва ты ва ть ге ны х о зяи на и пе р е но си ть и х не то ль ко в но во е ме сто в ге но ме , но и о то р га ни зма к о р га ни зму. Э то та к на зы ва е мы й го р и зо нта ль ны й пе р е но с ге но в. П о б ы ва в в ге но ме ви р уса , пр е ж де но р ма ль ны е ге ны х о зяи на пр и о б р е та ю ттр а нсф о р ми р ую щую спо со б но сть , т.е . ста но вятся о нко ге на ми . М е то да ми мо ле куляр но й б и о ло ги и б ы ло по ка за но , ч то о нко ге ны и ме ю тсх о дно е стр о е ни е с но р ма ль ны ми ге на ми ч е ло ве ка и ж и во тны х . Та ки м о б р а зо м, со вр е ме нна я ге не ти ч е ска я те о р и я р а ка – это те о р и я о нко ге но в. К гр уппе р е тр о ви р усо в о тно си тся ви р ус и ммуно де ф и ци та ч е ло ве ка (В И Ч ), вы зы ва ю щи й у ч е ло ве ка си ндр о м пр и о б р е те нно го и ммуно де ф и ци та (СП И Д ). Н а ви р усно й мо ле куле РН К с по мо щь ю о б р а тно й тр а нскр и пта зы та кж е си нте зи р уе тся кД Н К, встр а и ва ю ща яся в ге но м. П р и ч е м, пр о ви р ус мо ж е тв те ч е ни е дли те ль но го вр е ме ни о ста ва ть ся в скр ы то м не экспр е сси р уе мо м со сто яни и . О дна ко по д де йстви е м пр о во ка ци о нны х , стр е ссо вы х ф а кто р о в (и о ни зи р ую ще е и злуч е ни е , ка нце р о ге ны и др .) эти б е зде йствую щи е ге ны мо гут а кти ви зи р о ва ть ся. В р е зуль та те тр а нскр и пци и пр о ви р усно й Д Н К и сб о р ки ви р усны х ч а сти ц кле тка -х о зяи на ги б не т. Э та б о ле знь со пр о во ж да е тся р а зви ти е м у б о ль ны х глуб о ко й и ммунно й не до ста то ч но сти , пр о являю ще йся в то м, ч то б е зо па сны е для здо р о во го ч е ло ве ка ми кр о о р га ни змы пр и о б р е та ю т спо со б но сть вы зы ва ть тяж е лы е и нф е кци о нны е за б о ле ва ни я. О б р а тно й тр а нскр и пта зо й являе тся ф е р ме нт те ло ме р а за , ка та ли зи р ую ща я си нте з те ло ме р но й Д Н К. В со ста в это го ф е р ме нта по ми мо двух суб ъе ди ни ц б е лко во го ко мпо не нта вх о ди тта кж е РН К, и спо ль зуе ма я те ло ме р а зо й в ка ч е стве ма тр и цы для си нте за те ло ме р но й Д Н К. В это м за клю ч а е тся уни ка ль но сть те ло ме р а зы . Н а се го дняш ни й де нь о на е ди нстве нна я РН К-со де р ж а ща я о б р а тна я тр а нскр и пта за . 1.3.2.6. Ко н ф о рма ци о н н ы е ма т ри цы (“ белк о ва я н а следст вен н о ст ь ”) О ткр ы ти е стр уктур ы Д Н К утве р ди ло ма тр и ч ны й пр и нци п в б и о ло ги и , ко то р ы й б ы л пр е дска за н в 20-е го ды XX сто ле ти я Н .К. Ко ль цо вы м. В се ф унда ме нта ль ны е ге не ти ч е ски е пр о це ссы , пр о те ка ю щи е в кле тке : р е пли ка ци я Д Н К, тр а нскр и пци я, тр а нсляци я и , на ко не ц, р е па р а ци я во зни ка ю щи х в х о де ни х по вр е ж де ни й, являю тся ма тр и ч ны ми . П р и это м ни ти мо ле кул Д Н К и РН К служ а т ли не йны ми ма тр и ца ми , по ко то р ы м в со о тве тстви и с пр и нци по м ко мпле ме нта р но сти стр о ятся но вы е мо ле кулы пр и пр о х о ж де ни и упо мянуты х пр о це ссо в, ле ж а щи х в о сно ве во спр о и зве де ни я

37

и р е а ли за ци и ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и . О дна ко в ко нце 90-х го до в XX ве ка б ы л уста но вле н е ще о ди н ти п ма тр и ц – ко нф о р ма ци о нны й (и ли пр о стр а нстве нны й, в о тли ч и е о тли не йны х ма тр и ц – Д Н К, РН К), о пр е де ляю щи й пр о стр а нстве нную укла дку по ли пе пти до в. Э то тти п ма тр и ц х а р а кте р е н для б е лко в – пр и о но в – и нф е кци о нны х а ге нто в, вы зы ва ю щи х тяж е ле йш и е за б о ле ва ни я улю де й и ж и во тны х . Ряд не йр о де ге не р а ти вны х за б о ле ва ни й (губ ч а ты х энце ф а ло па ти й) ч е ло ве ка и др уги х мле ко пи та ю щи х связа н с б е лко во й и нф е кци е й. К ч и слу та ки х б о ле зне й улю де й о тно сяткур у, се ме йную сме р те ль ную б е ссо нни цу, си ндр о м Кр о йцф е ль да -Я ко б а , б о ле знь Ге р ш тма на -Ш тр о ссле р а -Ш а йнке р а , а та кж е за б о ле ва ни я ж и во тны х : скр эпи о ве ц и ко з (и ли ве р тяч ка ), а на ло ги ч ны е за б о ле ва ни я о ле не й, но р о к, мы ш е й, кр ы с, х о мяко в, ко ш е к и , на ко не ц, губ ч а та я б о ле знь мо зга кр упно го р о га то го ско та (“ ко р о вь е б е ш е нство ”), р а спр о стр а ни вш и е ся в по сле дни е го ды в Англи и . О дну и з та ки х б о ле зне й у ч е ло ве ка , кур у, и ли “ сме ю щую ся сме р ть ” о ткр ы л в Н о во й Гви не е в пле ме ни ф о р е Д а ни е ль Ка р лто н Га йдуш е к в се р е ди не 50-х го до в. Си мпто мы – пр о гр е сси р ую ще е на р уш е ни е ко о р ди на ци и дви ж е ни й, со пр о во ж да е мо е пр и ступа ми б е спр и ч и нно го сме х а и за ка нч и ва вш е е ся ле та ль ны м и сх о до м. Бо ле знь пр и зна ли и нф е кци о нно й, а пр и ч и но й е е р а спр о стр а не ни я о ка за лся р и туа ль ны й ка нни б а ли зм в пле ме ни ф о р е . Х а р а кте р но й о со б е нно сть ю го ло вно го и спи нно го мо зга у мы ш е й, и нф и ци р о ва нны х скр эпи , являе тся на ли ч и е б е лко вы х тяж е й, пр е дста вляю щи х со б о й а гр е га ты о дно го и з б е лко в не р вно й си сте мы . Кр о ме то го , спи нно й и го ло вно й мо зг б о ль ны х лю де й и ж и во тны х на по ми на е тгуб ку, о ткуда и по ш ло о б ще е на зва ни е это й гр уппы за б о ле ва ни й – губ ч а ты е б о ле зни мо зга . Бе ло к, со ста вляю щи й эти тяж и (о б о зна ч е нны й ка к PrPSc о тscrapie) и ме е тту ж е пе р ви ч ную стр уктур у, ч то и но р ма ль ны й б е ло к (о б о зна ч е ни е PrPС о тcellular - кле то ч ны й) здо р о вы х лю де й. В 1997 г. С. П р уси не р по луч и л Н о б е ле вскую пр е ми ю по ф и зи о ло ги и и ме ди ци не за р а зр а б о тку ко нце пци и пр и о но в. Э та ко нце пци я о б ъясни ла ме х а ни зм и нф е кци и пр и упо мянуты х вы ш е за б о ле ва ни й лю де й. Д о ка за но , ч то и нф е кци о нны й а ге нтпр е дста вляе тсо б о й б е ло к - пр и о н. П р о ти во р е ч и т ли это Ц е нтр а ль но й до гме ? В о все не т, по ско ль ку вско р е вы ясни ло сь , ч то не тпр и о на б е з стр уктур но го ге на . П р и о н – и нф е кци о нны й а ге нтне р е пли ци р уе тся са м по се б е . О н си нте зи р уе тся, ка к по ло ж е но б е лка м, на р и б о со ма х . Его ко ди р уе тстр уктур ны й ге н (PRNP), ко то р ы й ка р ти р о ва н у ч е ло ве ка на ко р о тко м пле ч е 20-й х р о мо со мы и являе тся о ч е нь ко нсе р ва ти вны м у все х мле ко пи та ю щи х . И нф е кци о нны й пр и о н (PrPSc) во зни ка е т на по сттр а нсляци о нно м эта пе в р е зуль та те ко нф о р ма ци о нны х и зме не ни й (т.е . и зме не ни й пр о стр а нстве нно й стр уктур ы , х а р а кте р а укла дки ) но р ма ль но го пр и о нно го б е лка (PrPС): PrPС→ PrPSc. И зве стны та к на зы ва е мы е ли ни и , и ли ш та ммы пр и о на , т.е . е го ф о р мы , р а зли ч а ю щи е ся и нф е кци о нно сть ю и и нкуб а ци о нны м пе р и о до м. Э ти р а зли ч и я ме ж ду ли ни ями пр и о на о б ъясняю т суще ство ва ни е м р а зны х ко нф о р ма ци о нны х ф о р м б е лка PrPSc. П р и это м е го пе р ви ч на я стр уктур а о ста е тся не и зме нно й.

38

В то ж е вр е мя на ур о вне б е лка де йстви те ль но р а б о та е т ме х а ни зм во спр о и зве де ни я, но не а ми но ки сло тно й по сле до ва те ль но сти , а ко нф о р ма ци и . Бе ло к пр и о н – это пр о и зво дно е о дно го и з по ли пе пти до в, р а б о та ю щи х в не р вно й си сте ме . Его ф ункци я то ч но не и зве стна до си х по р . П р и о н ка к па то ге нна я ф о р ма б е лка мо ж е тпо яви ть ся в о р га ни зме в р е зуль та те и нф е кци и и ли в р е зуль та те спо нта нно го пр е вр а ще ни я ко нф о р ма ци и б е лка пр е дш е стве нни ка . Д а ле е пр и о н р а спр о ста няе тся в не р вно й си сте ме , но не по ср е дство м р е пли ка ци и , а в р е зуль та те ко нф о р ма ци о нно й пе р е стр о йки все х вно вь си нте зи р уе мы х го мо ло ги ч ны х но р ма ль ны х по ли пе пти до в “ по сво е муо б р а зуи по до б и ю ”. Та ки м о б р а зо м, явле ни е пр и о ни за ци и - ма тр и ч ны й пр о це сс, о суще ствляе мы й во вр е мя по сттр а нсляци о нны х пе р е стр о е к б е лко в. П о это му не ко то р ы е уч е ны е на зы ва ю тэто явле ни е “ б е лко во й на сле дстве нно сть ю ” и ли на сле дстве нно сть ю б е з Д Н К. Я вле ни е пр и о но в х а р а кте р но не то ль ко для мле ко пи та ю щи х . В 1994г. пр и о но по до б ны е б е лки б ы ли и де нти ф и ци р о ва ны у ни зш е го эука р и о та – у др о ж ж е й Saccaromyces cerevisiae, а вско р е у др уго го гр и б а – Podospora anserina. У эти х о р га ни змо в пр и о ны по сво е й пе р ви ч но й стр уктур е не и ме ю тни ч е го о б ще го с пр и о на ми мле ко пи та ю щи х , с б е лка ми не р вно й си сте мы . Еди нстве нно й о б ще й стр уктур но й х а р а кте р и сти ко й уни х являе тся о б о га ще ни е по ли пе пти дны х це пе й не ко то р ы ми а ми но ки сло тны ми о ста тка ми , в ч а стно сти , глута ми но м и а спа р а ги но м, пр е дста вле нны ми в ви де та нде мны х по вто р о в. Д р уго й о б ще й х а р а кте р и сти ко й пр и о но в р а зны х о р га ни змо в являе тся и х спо со б но сть пе р е стр а и ва ть вто р и ч ную и тр е ти ч ную стр уктур у вно вь си нте зи р уе мы х по ли пе пти дны х це пе й по ти пу пр и о но в. П р и это м о ни ста но вятся о б о га ще нны ми β-сло ями по о тно ш е ни ю к со де р ж а ни ю α-спи р а ле й в ср а вне ни и с б е лка ми -пр е дш е стве нни ка ми . Бе лки , пр е те р пе вш и е ко нф о р ма ци о нны е пе р е стр о йки (о б о га ще ни е β-сло ями ), пр и о б р е та ю тр яд но вы х сво йств, пр е ж де все го спо со б но сть к а гр е га ци и за сч е т вза и мо де йстви я β-сло е в и к о б р а зо ва ни ю а ми ло и дны х тяж е й и б ляш е к, со б и р а ю щи х ся в б о ле е кр упны е а гр е га ты . П р и это м ч а сти ч но и ли по лно сть ю те р яе тся со б стве нна я ф ункци о на ль на я а кти вно сть пр и о ни зи р ую щи х ся б е лко в. П р и о ны р а зли ч но го пр о и сх о ж де ни я б о ле е усто йч и вы к р а зр уш е ни ю те мпе р а тур ны ми во зде йстви ями , ки сло тно му ги др о ли зу и пр о те о ли зу, не ж е ли и х б е лки -пр е дш е стве нни ки с но р ма ль но й ко нф о р ма ци е й. Сч и та ю т, ч то ме х а ни зм, ле ж а щи й в о сно ве та ко го пр е вр а ще ни я, мо ж е т и ме ть о б щи е ч е р ты с явле ни е м кр и ста лли за ци и , на пр а вляе мо й ко нф о р ма ци о нны ми и ли сте р и ч е ски ми ма тр и ца ми . Ро ль та ки х ко нф о р ма ци о нны х ма тр и ц и гр а ю тпр е дсуще ствую щи е мо ле кулы пр и о но в. Д р о ж ж и – о ч е нь удо б ны й о б ъе ктдля и зуч е ни я пр и о но в и связа нны х с ни ми явле ни й, по ско ль ку пр и о ны у это го о б ъе кта мо ж но и зуч а ть ка к ци то пла зма ти ч е ски е на сле дстве нны е ф а кто р ы (т.е . не яде р ны е и не ми то х о ндр и а ль ны е ф а кто р ы , пе р е да ю щи е ся с ци то пла змо й). И ме нно та к б ы л о ткр ы т пе р вы й пр и о н др о ж ж е й – ф а кто р PSI, ко то р ы й по ч ти 30 ле то ста ва лся не ки м по луми сти ч е ски м но си те ле м на сле дстве нно й и нф о р ма ци и , для ко то р о го не уда ва ло сь на йти ни ка ки х нукле и но вы х ки сло тв ка ч е стве ма те р и -

39

а ль но го суб стр а та . В ко нце ко нцо в, стр уктур ны й ге н (SUP35), ко ди р ую щи й PSI-ф а кто р б ы л и де нти ф и ци р о ва н, а пр и р о да са мо го PSI-ф а кто р а б ы ла о б ъясне на на о сно ва ни и пр е дпо ло ж е ни я о пр и о нно м пр е о б р а зо ва ни и б е лко во го пр о дукта это го стр уктур но го ге на (SUP35) – ф а кто р а те р ми на ци и тр а нсляци и eRF3, узна ю ще го сто п-ко до ны и пр е кр а ща ю ще го тр а нсляци ю . М ута ци и в ге не SUP35 пр и во дят к сч и ты ва ни ю ко до но вте р ми на то р о в, т.е . к супр е сси и но нсе нсо в, по ч е муо н и на зва н SUP, т.е . супр е ссо р о м. П р и о ни за ци я eRF3 и о б р а зо ва ни е пр и о нны х б е лко вы х а гр е га то в та кж е со пр о во ж да е тся ч а сти ч ны м на р уш е ни е м те р ми на ци и тр а нсляци и . Э то пр и во ди т к ч е тко му ф е но ти пи ч е ско му эф ф е кту: но нсе нссупр е сси и - все тр и ти па сто п-ко до но в, и ли си гна лы пр е кр а ще ни я р о ста мо ле кулы б е лка (UAA, UAG, UGA) ч и та ю тся ка к зна ч а щи е ко до ны в пр и сутстви и PSI-ф а кто р а (но не в р е зуль та те мута ци и ге на ). Н а б лю да е тся све р х экспр е сси я ге на SUP35. И та к, ф ункци о на ль ны й б е ло к ге на SUP35 eRF3 узна е тсто п-ко до ны и пр е кр а ща е ттр а нсляци ю , в р е зуль та те ч е го си нте зи р уе тся усе ч е нны й не ф ункци о на ль ны й б е ло к Ade1 и др о ж ж и не р а стут на ср е де б е з а де ни на - кле тки psi- (р и суно к 12). П р и о ни за ци я б е лка eRF3 ге н

SUP 35

-

к ле т к и [ psi ] м РН К ade I

eRF3

+

к ле т к и [ PSI ]

м РН К ade I

UGA UGA

Ф унк циональны й б елок eRF3 узнает стоп-к одон UGA, возник ш ий на месте знач ащ его

П р ионны еагр егаты eRF3 неузнаю т стоп-к одон UGA, и он пр оч иты вается к ак знач ащ ий

В р езультатесинтезир уется усеч енны й неф унк циональны й б елок Ade I и др ож ж и нер астут на ср едеб ез аденина

В р езультатеcинтезир уется полны й ф унк циональны й б елок AdeI и др ож ж и р астут на ср едеб ез аденина

Ри суно к 12. Ф е но ти пи ч е ско е пр о явле ни е пр и о ни за ци и ф а кто р а те р ми на ци и тр а нсляци и eRF3, ко ди р уе мо го ге но м SUP35 у др о ж ж е й Saccharomyces cerevisiae (И нге -В е ч то мо в и др ., 2004).

40

пр и во ди тк то му, ч то о н не узна е тсто п-ко до ны и пр о ч и ты ва е ти х ка к зна ч а щи е . В р е зуль та те си нте зи р уе тся по лны й ф ункци о на ль ны й б е ло к Ade1 и др о ж ж и р а стутна ср е де б е з а де ни на - кле тки PSI+ (р и суно к 12). Т.е . но нсе нс-супр е сси я – ф е но ти пи ч е ско е пр о явле ни е пр и о ни за ци и ф а кто р а те р ми на ци и тр а нсляци и eRF3, ко ди р уе мо го ге но м SUP35. П о до б но пр и о на м мле ко пи та ю щи х пр и о ны гр и б о в пр е дста вляю тсо б о й ко нф о р ма ци о нны е ва р и а нты о б ы ч ны х кле то ч ны х б е лко в. О б р а зо ва вш и е ся а гр е га ты пр и о на по сле пе р и о да р о ста о б р а зую тта к на зы ва е мы е се ме на , ко то р ы е по па да ю тв до ч е р ни е кле тки и те м са мы м служ а тв ни х це нтр а ми кр и ста лли за ци и но вы х пр и о нны х а гр е га то в. Та ки м о б р а зо м, мо ж но сле ди ть за на сле до ва ни е м пр и о на PSI в ми то зе и ме йо зе , о тсле ж и ва я супр е ссо р ны й ф е но ти п. О со б е нно сть ю и пр е и муще ство м др о ж ж е во й мо де ли являе тся во змо ж но сть и згна ни я пр и о на , “ вы ле ч и ва ни я” кле тки , де йствуя на ни х не б о ль ш и ми ко нце нтр а ци ями (5мМ ) ги др о х ло р и да гуа ни ди на . О дна ко та ко е и згна ни е о б р а ти мо : в кле тка х мо гут вно вь по являть ся PSI-пр и о ны . Э ти ф а кты б ы ли о дни м и з пе р вы х а р гуме нто в в по ль зу на ли ч и я в ге но ме др о ж ж е й стр уктур но го ге на , ко ди р ую ще го за га до ч ны й в то вр е мя PSIф а кто р (др о ж ж е во й пр и о н). Кр о ме то го , и спо ль зо ва ни е др о ж ж е во й си сте мы по зво ли ло о дно зна ч но до ка за ть уч а сти е б е лко в-ш а пе р о но в, о тве тстве нны х за скла ды ва ни е др уги х б е лко в кле тки , в о б р а зо ва ни и и во спр о и зве де ни и пр и о но в. Д ля пр е вр а ще ни я (пр и о ни за ци и ) б е лка eRF3 в PSI-ф а кто р не о б х о ди ма о пти ма ль на я экспр е сси я ге на HSP104, ко ди р ую ще го о ди н и з ш а пе р о но в др о ж ж е й. И на кти ва ци я, а та кж е све р х экспр е сси я это го ге на пр и во ди тк по те р е PSI-ф а кто р а . Т.е . е сли б е лки -ш а пе р о ны де ф е ктны , то PSI-ф а кто р не о б р а зуе тся и не во спр о и зво ди тся, е сли о н уж е пр и сутство ва л в кле тке . Ф и зи ч е ско е вза и мо де йстви е др о ж ж е во го ш а пе р о на HSP104 с eRF3 др о ж ж е й и б е лко м мле ко пи та ю щи х PrРC по ка за но in vitro. 1.3.3. Т рансляци я П р о це сс пе р е во да ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и с по сле до ва те ль но сти мРН К в по сле до ва те ль но сть а ми но ки сло т в мо ле куле по ли пе пти да (ко то р ы е ко ли не а р ны ) о суще ствляе тся сло ж ны м ма кр о мо ле куляр ны м ко мпле ксо м, вклю ч а ю щи м р и б о со мы , мРН К, а ми но -тРН К-си нте та зы , б е лко вы е ф а кто р ы и ни ци а ци и эло нга ци и и те р ми на ци и тр а нсляци и . Ри б о со мы являю тся ци то пла зма ти ч е ски ми це нтр а ми б и о си нте за б е лка . О ни со сто ят и з б о ль ш о й и ма ло й суб ъе ди ни ц, р а зли ч а ю щи х ся ко эф ф и ци е нта ми се ди ме нта ци и (ско р о сть ю о са ж де ни я пр и це нтр и ф уги р о ва ни и ), вы р а ж а е мы е в е ди ни ца х Све дб е р га – S. Ри б о со мы эука р и о то тли ч а ю тся о т пр о ка р и о ти ч е ски х . П о лна я эука р и о ти ч е ска я р и б о со ма о б ы ч но о са ж да е тся пр и 80S, а о тде ль ны е е е суб ъе ди ни цы пр и 60S и 40S. Ри б о со мы пр о ка р и о т, а та кж е ми то х о ндр и й и х ло р о пла сто в ме нь ш е по р а зме р а м: 70S (по лна я р и б о со ма ), 50S и 30S (о тде ль ны е суб ъе ди ни цы ). Ка ж да я суб ъе ди -

41

ни ца пр е дста вляе тсо б о й ко мпле кс р РН К и р и б о со мны х б е лко в. Суще ствуе т4 ти па мо ле кул р РН К у эука р и о т(28S, 18S, 5,8S и 5S) и 3 ти па у пр о ка р и о т(16S, 23S и 5S), ка ж ды й и з ко то р ы х в по лно й (со б р а нно й) р и б о со ме пр е дста вле н о ди н р а з. П р и ч е м, в со ста в ма ло й суб ъе ди ни цы вх о ди т о дна мо ле кула р РН К, а в со ста в б о ль ш о й – 2 мо ле кулы у пр о ка р и о ти 3 мо ле кулы р РН К уэука р и о т. Би о си нте з б е лка и де тто ль ко на тяж е лы х (со б р а нны х ) р и б о со ма х . В пр о це ссе б и о си нте за б е лка пр о и сх о ди то б ъе ди не ни е р и б о со м в по ли со мы , ко то р ы е на ни зы ва ю тся на мо ле кулумРН К. Си нте з и со зр е ва ни е р РН К у эука р и о тпр о и сх о ди тв ядр ы ш ка х . Ка к пр а ви ло , в р а йо не вто р и ч но й пе р е тяж ки ге ны 28S, 18S и 5,8 S сгр уппи р о ва ны в о дну тр а нскр и пци о нную е ди ни цу (кла сте р ), ко то р а я пр е дста вле на мно го ч и сле нны ми ко пи ями . П р и си нте зе р РН К с ка ж до го кла сте р а ге но в р РН К сна ч а ла тр а нскр и б и р ую тся е е пр е дш е стве нни ки , та к на зы ва е мы е пр о -р РН К = пе р ви ч ны е тр а нскр и пты (ги га нтски е мо ле кулы 45S р РН К), ко то р ы е р а сще пляю тся на зр е лы е мо ле кулы , р а зли ч а ю щи е ся ко эф ф и ци е нто м се ди ме нта ци и : 28S, 18S и 5,8 S. М о ле кула ж е 5S р РН К си нте зи р уе тся на др уги х ге на х не за ви си мо о тге но в р и б о со ма ль но го ци стр о на и не по две р га е тся пр о це сси нгу. Тр и мо ле кулы р РН К (28S, 5S и 5,8S) в ко мпле ксе с р и б о со мны ми б е лка ми вх о дятв со ста в б о ль ш о й суб ъе ди ни цы , а о дна (18S) - в со ста в ма ло й суб ъе ди ни цы р и б о со м. Кр о ме мРН К и р РН К в б и о си нте зе б е лка уч а ствуе ттРН К. М о ле кулы тРН К вы по лняю тр о ль а да пт еро в (но си те ле й) а ми но ки сло тк ме стусб о р ки б е лка . В се тРН К ка к у пр о ка р и о т, та к и у эука р и о ти ме ю тсх о дную стр уктур у. Э то ма ле нь ки е мо ле кулы , вклю ч а ю щи е пр и ме р но 80 нукле о ти до в. Бла го да р я ко мпле ме нта р но му вза и мо де йстви ю о пр е де ле нно й ч а сти нукле о ти до в, вх о дящи х в со ста в мо ле кулы , ч е р е з во до р о дны е связи ли не йна я стр уктур а тРН К скла ды ва е тся в ви де “ кле ве р но го ли ста ”, о б р а зуя, та ки м о б р а зо м, вто р и ч ную стр уктур у. Ка ж до й а ми но ки сло те со о тве тствуе тсво я тРН К, ко то р ую о ни узна ю тс по мо щь ю ф е р ме нто в. Ти п тРН К о пр е де ляе тся а нти ко до но м (уч а стко м, со сто ящи м и з тр е х нукле о ти до в), ко мпле ме нта р ны м ко до ну мРН К, о тве тстве нно му за вклю ч е ни е со о тве тствую ще й а ми но ки сло ты в р а стущую по ли пе пти дную це пь . Н а пр о ти во по ло ж но м а нти ко до ну ко нце мо ле кулы тРН К на х о ди тся а к цепт о рн ы й уч а сто к, к ко то р о мупр и кр е пляе тся а ми но ки сло та . О н и ме е то ди на ко вы й со ста в увсе х тРН К (CCA) на 3′-ко нце (р и суно к 13). Ка ж да я тРН К мо ж е тпр и со е ди ни ть то ль ко ту а ми но ки сло ту, ко то р о й со о тве тствуе те е а нти ко до н. И з-за вы р о ж де нно сти ко да а нти ко до н о дно й тРН К спо со б е н р а спо зна ть не ско ль ко ко до но в о дно й а ми но ки сло ты . П р и это м два пе р вы х нукле о ти да ко до на и а нти ко до на связы ва ю тся ко мпле ме нта р но , а по тр е ть е му нукле о ти ду пр и нци п ко мпле ме нта р но сти не все гда со б лю да е тся. Та к, а нти ко до н AUG ти р о зи но во й тРН К - мо ж е тр а спо зна ть и вза и мо де йство ва ть со сле дую щи ми ко до на ми мРН К: UAC и ли UAU, а а нти ко до н AAG ф е ни ла ла ни но во й тРН К с ко до на ми UUU и ли UUC мРН К (р и суно к 14). В 1964 г. впе р вы е б ы ла уста но вле на по лна я нукле о ти дна я по сле до ва те ль но сть мо ле кулы тРН К и з кле то к др о ж ж е й, ко то р а я спе ци ф и ч е ски

42

со е ди няе тся с а ми но ки сло то й а ла ни но м. Сво б о дны е а ми но ки сло ты кле тки не мо гутб ы ть не по ср е дстве нно и спо ль зо ва ны р и б о со мо й. Ка ж да я а ми но ки сло та сна ч а ла а кти ви зи р уе тся. Н а ч а ло вза и мо де йстви я тРН К с а ми но ки сло то й о пр е де ляе тся о б р а зо ва ни е м ме ж ду ни ми ко ва ле нтно й связи . П о ско ль ку эта связь вы со ко эне р ге ти ч на , не о б х о ди ма а кти ви за ци я а ми но ки сло т, т.е . и х вза и мо де йстви е с АТФ по д ко нтр о ле м ф е р ме нта , спе ци ф и ч но го для ка ж до й а ми но ки сло ты . Э ти ф е р ме нты – а ми н о а ци л-т РН К-си н т ет а зы . И х сто ль ко ж е , ско ль ко и а ми но ки сло т – 20. О б р а зо ва вш и йся спе ци ф и ч ны й ко мпле кс тРН К и со о тве тствую ще й е й а ми но ки сло ты , ко то р ы й по луч и л на зва ни е а ми н о а ци л-т РН К, пе р е ме ща е тся за те м к р и б о со ме и уч а ствуе тв си нте зе по ли пе пти да .

Ри суно к 13. Сх е ма стр о е ни я тр а нспо р тно й РН К (тРН К) Си нте з по ли пе пти да в ка ж до й р и б о со ме до сти га е тся е е дви ж е ни е м в це пи по ли со мы пр о ти в дви ж е ни я мРН К. В мРН К суще ствую т ко до ны : и ни ци и р ую щи е (AUG), о пр е де ляю щи е на ч а ло си нте за б е лка ; те р ми ни р ую щи е (сто п-ко до ны : UAG, UAA, UGA), за ка нч и ва ю щи е си нте з б е лка . В со б р а нно й р и б о со ме и ме е тся два уч а стка (са йта ) связы ва ни я с тРН К – 1) а ми но а ци ль ны й (А) – са йтпр и со е ди не ни я а ми но а ци л-тРН К с на гр уж е нно й а ми но ки сло то й; 2) пе пти ди ль ны й (Р) – са йт, ко то р ы й уде р ж и ва е тмо ле кулу тРН К, пр и со е ди не нную к р а стуще му ко нцу по ли пе пти дно й це пи (т.е . зде сь а ми но ки сло ты связы ва ю тся в по ли пе ти дную це пь ). В б о ль ш о й суб ъе ди ни це р и б о со мы в ка ж ды й да нны й мо ме нтна х о ди тся то ль ко два ко до на мРН К – о ди н в а ми но а ци ль но м, а о ди н в пе пти ди ль но м це нтр а х . М о ле кулы мРН К на ч и на ю т сво ю связь с р и б о со мо й ч е р е з ма лую суб ъе ди ни цу, о б р а зуя с не й (с по мо щь ю ф е р ме нто в) и ни ци и р ую щи й ко мпле кс. Са ма по ли пе пти дна я це пь си нте зи р уе тся на б о ль ш о й суб ъе ди ни це . И ни ци а то р ны м ко до но м, с ко то р о го на ч и на е тся си нте з по ли пе пти дно й це пи на р и б о со ма х , являе тся AUG. В ма лую суб ъе ди ни цу, на по ве р х но сти ко то р о й р а спо ла га е тся пе р вы й ко до н мо ле кулы мРН К (AUG), вх о ди т ко -

43

не ц мо ле кулы а ми но а ци л-тРН К с а нти ко до но м UAC. Ами но ки сло та ме ти о ни н (и ли ф о р ми лме ти о ни н у б а кте р и й), ло ка ли зо ва нна я на пр о ти во по ло ж но м ко нце это й тРН К, пр и со е ди няе тся к б о ль ш о й суб ъе ди ни це (пр о и сх о ди тво ссо е ди не ни е б о ль ш о й и ма ло й суб ъе ди ни ц р и б о со м). П е р ва я а ми но а ци л-тРН К за ни ма е т Р-уч а сто к. Сле дую ща я а ми но а ци л-тРН К по дх о ди т к сво б о дно му А-уч а стку р и б о со мы . Если е е а нти ко до н являе тся ко мпле ме нта р ны м ко до ну мРН К, то пр о и сх о ди твр е ме нно е пр и со е ди не ни е тРН К с а ми но ки сло то й (вто р о й по сч е ту) к ко до нумРН К. П р о це сс эло нга ци и на ч и на е тся с о б р а зо ва ни я пе пти дно й (ко ва ле нтно й) связи ме ж ду и ни ци и р ую ще й (пе р во й в це по ч ке ) и по сле дую ще й (вто р о й) а ми но ки сло та ми . Э то пр о и сх о ди тза сч е тпе р е не се ни я пе р во й а ми но ки сло ты на а ми но ки сло тны й о ста то к по ступи вш е й а ми но а ци л-тРН К, в р е зуль та те ч е го тРН К в Pуч а стве о ка ж е тся сво б о дно й. За те м пр о и сх о ди тпе р е ме ще ни е р и б о со мы на о ди н ко до н мРН К вле во (в на пр а вле ни и 5′→3′), ч то со пр о во ж да е тся о тсо е ди не ни е м и ни ци и р ую ще й тРН К о тма тр и цы (мРН К) и вы х о до м е е в ци то пла зму. П р и это м вто р а я по сч е ту а ми но а ци л-тРН К (с двумя а ми но ки сло та ми ) пе р е дви га е тся и з А-уч а стка в Р-уч а сто к, а о сво б о ди вш и йся Ауч а сто к за ни ма е тся сле дую ще й (тр е ть е й по сч е ту) а ми но а ци л-тРН К. П р о це сс по сле до ва те ль но го пе р е дви ж е ни я р и б о со мы “ тр и пле тны ми ш а га ми ” по ни ти мРН К по вто р яе тся, со пр о во ж да ясь о сво б о ж де ни е м тРН К, по ступи вш и х в Р-уч а сто к и на р а щи ва ни е м а ми но ки сло тно й по сле до ва те ль но сти си нте зи р уе мо го по ли пе пти да (р и суно к 14).

P – пе пти ди ль ны й уч а сто к, А – а ми но а ци ль ны й уч а сто к Ри суно к 14. Сх е ма ф ункци о ни р ую ще й р и б о со мы (Ч е нцо в, 2004). П р о це сс пр о до лж а е тся до те х по р , по ка ве сь ко д ге на не б уде тсч и та н и к б о ль ш о й суб ъе ди ни це не пр и со е ди ни тся ли не йна я по сле до ва те ль но сть а ми но ки сло т, сво йстве нны х да нно му Д Н К-де те р ми ни р о ва нно му по ли пе пти ду. Си гна ло м к за ве р ш е ни ю тр а нсляци и служ и то ди н и з тр е х сто пко до но в. Ра ссмо тр е нны й ци кл си нте за по ли пе пти да по сле до ва те ль но по -

44

вто р яе тся с уч а сти е м не ско ль ки х р и б о со м о дно й и то й ж е по ли со мы , в р е зуль та те ч е го си нте зи р уе тся гр уппа и де нти ч ны х по ли пе пти до в. В кле тка х эука р и о тпр о це ссы тр а нскр и пци и и тр а нсляци и о тде ле ны др уг о тдр уга в пр о стр а нстве и во вр е ме ни , по ско ль ку пе р вы й пр о и сх о ди т в ядр е , о ткуда си нте зи р о ва нна я мРН К по ступа е тв ци то пла зму, а за те м на ч и на е т тр а нсли р о ва ть ся на р и б о со ма х . У пр о ка р и о т, со де р ж а щи х нукле о и д, не о тде ле нны й о тци то пла змы яде р но й о б о ло ч ко й, эти два пр о це сса не р а зо б ще ны , и тр а нсляци я мРН К на ч и на е тся до по лно го за ве р ш е ни я и х си нте за о дно вр е ме нно на мно ги х р и б о со ма х . П р о ка р и о ти ч е ска я мРН К по ли ци стр о нна (по ли ге нна ), т.е . со де р ж и т по сле до ва те ль но сти , о пр е де ляю щи е си нте з не ско ль ки х по ли пе пти дны х це пе й. У эука р и о тж е мРН К мо но ци стр о нна и все гда спи сы ва е тся с о дно го , а не ср а зу с не ско ль ки х ге но в, о р га ни зо ва нны х упр о ка р и о тв о пе р о ны . Кр и к по дч е р ки ва л ко ли не а р но сть стр уктур ы ге на и ко ди р уе мо го и м по ли пе пти да , т.е . со о тве тстви е по сле до ва те ль но сти а ми но ки сло т в мо ле куле б е лка по сле до ва те ль но сти нукле о ти до в ге на . Ами но ки сло тна я по сле до ва те ль но сть б е лко во й мо ле кулы за да е те е стр уктур у и ф ункци ю . Ко гда сб о р ка б е лко во й мо ле кулы за ка нч и ва е тся, по ли пе пти дна я це пь уда ляе тся о тпо ли со мы и сво р а ч и ва е тся, пр и о б р е та я вто р и ч ную , тр е ти ч ную и ли ч е тве р ти ч ную пр о стр а нстве нную стр уктур у (да нны й пр о це сс о б о зна ч а е тся ка к ф о лди нг), пр и ни ма я о ко нч а те ль ную б и о ло ги ч е ски а кти вную ко нф и гур а ци ю . Бе лки – это б и о ло ги ч е ски е мо ле кулы , уч а ствую щи е пр а кти ч е ски во все х пр о це сса х ж и зне де яте ль но сти кле то к. И ме нно б е лки о пр е де ляю т, в ко не ч но м сч е те , ф е но ти п лю б о го о р га ни зма . Белк и -ф ермен т ы ка та ли зи р ую твсе б и о х и ми ч е ски е пр о це ссы в кле тке . Ра зно о б р а зны е регулят о рн ы е б е лки ко нтр о ли р ую тсво е вр е ме нно сть и то ч но сть о сно вны х мо ле куляр но ге не ти ч е ски х пр о це ссо в (р е пли ка ци и , тр а нскр и пци и , тр а нсляци и , р е па р а ци и ). О ни о суще ствляю т тр а нспо р т ве ще ств в кле тки и ме ж ду кле тка ми (т ра н спо рт н ы е белк и ), о суще ствляю т во спр и яти е , тр а нсф о р ма ци ю и пе р е да ч у р а зно о б р а зны х вне ш ни х си гна ло в (белк и -рецепт о ры ). Бе лки являю тся не пр е ме нны м ко мпо не нто м все х б и о ло ги ч е ски х ме мб р а н, со ста вляю т о сно ву ци то ске ле та , вх о дят в со ста в со е ди ни те ль ны х тка не й, т.е . о б е спе ч и ва ю т“ стр о и те ль ную ” ф ункци ю (ст рук т урн ы е белк и ). О ни уч а ствую тв о суще ствле ни и дви га те ль ны х ф ункци й (со кр а ти те ль ны е б е лки ), о б е спе ч и ва ю тза щи туо ти нф е кци й и то кси но в (за щи т н ы е белк и -и ммун о гло були н ы ). Та ко в да ле ко не по лны й пе р е ч е нь ф ункци й б е лко в. Т ема 2. РЕГ У Л Я Ц И Я ДЕЙ С Т В И Я Г ЕН О В 2.1. О п еронная си ст ема регуляци и дей ст ви я генов у п рокари от Эк спресси я ген о в – ве сь пр о це сс пе р е да ч и ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и о тД Н К с по мо щь ю р а зли ч ны х ти по в РН К к по ли пе пти да м; это пр о явле ни е

45

да нно го ге на в о р га ни зме в ф о р ме ка ко го -ли б о спе ци ф и ч е ско го для не го пр и зна ка . О р га ни за ци я ге но в у пр о - и эука р и о т р а зли ч на . В о -пе р вы х , ге ны пр о ка р и о т не пр е р ы вны , а эука р и о т и ме ю т мо за и ч ную (экзо н-и нтр о нную ) стр уктур у. В о -вто р ы х , для пр о ка р и о тх а р а кте р е н о пе р о нны й пр и нци п о р га ни за ци и ге но в. Ба кте р и ям не о б х о ди мо б ы стр о о тве ч а ть на и зме не ни я о кр уж а ю ще й ср е ды . И х вы ж и ва е мо сть за ви си то тспо со б но сти пе р е клю ч а ть ме та б о ли зм с о дно го суб стр а та на др уго й пр и и зме не ни ях в ср е де пи та те ль ны х ве ще ств. Д ля та ко го р е а ги р о ва ни я на и зме не ни е усло ви й ср е ды ге ны б а кте р и й о б ъе ди не ны в кла сте р ы та ки м о б р а зо м, ч то ф е р ме нты , не о б х о ди мы е для о пр е де ле ни я пути б и о си нте за , ко ди р ую тся ге на ми , на х о дящи ми ся по д о б щи м ко нтр о ле м. В ся си сте ма , вклю ч а ю ща я стр уктур ны е ге ны и эле ме нты , ко нтр о ли р ую щи е и х экспр е сси ю , ф о р ми р ую т о б щую е ди ни цу р е гуляци и , на зы ва е мую о перо н о м. Оперо н – е ди ни ца тр а нскр и пци и и р е гуляци и уб а кте р и й. П е р во на ч а ль но пр е дпо ла га ли , ч то о пе р о н – это уни ве р са ль на я е ди ни ца р е гуляци и де йстви я ге но в для пр о - и эука р и о т. Та к, в 1961 г. два ф р а нцузски х ге не ти ка Ф . Ж а ко б и Ж . М о но р а зр а б о та ли сх е мур е гуляци и де йстви я ге но в на ур о вне тр а нскр и пци и на пр и ме р е lac-о пе р о на у б а кте р и й E. coli. О пе р о н, со гла сно и х пр е дста вле ни ям, – это гр уппа ф ункци о на ль но р о дстве нны х со вме стно тр а нскр и б и р уе мы х ге но в, ко нтр о ли р ую щи х о пр е де ле нны й ви д ме та б о ли ч е ско й а кти вно сти , т.е . это е ди ни ца ге не ти ч е ско го ма те р и а ла , р е гули р уе ма я на ур о вне тр а нскр и пци и . Ре зуль та то м а кти вно сти о пе р о на являе тся си нте з, ка к пр а ви ло , р о дстве нны х по б и о х и ми ч е ски м ф ункци ям а да пти вны х ф е р ме нто в. В се ф е р ме нты кле тки усло вно де лят на ко нсти тути вны е – по сто янно пр и сутствую щи е в кле тке , и а да пти вны е – по являю щи е ся в р е зуль та те и зме не ни й усло ви й ср е ды . Ко нсти тути вны е ф е р ме нты у E. coli пр и ни ма ю туч а сти е в ути ли за ци и уни ве р са ль но го для не е и сто ч ни ка угле р о да – глю ко зы . Глю ко за – са мы й до ступны й и вы го дны й для E. coli и сто ч ни к угле р о да и эне р ги и . П о ка глю ко за и ме е тся в до ста то ч но м ко ли ч е стве , кле тка не нуж да е тся в по луч е ни и и пе р е р а б о тке ни ка ки х др уги х са х а р о в. П р и за ме не глю ко зы на ла кто зу для ути ли за ци и ла кто зы E. coli не о б х о ди м си нте з а да пти вны х ф е р ме нто в: β-га ла кто зи да зы , ко то р а я р а сще пляе т ла кто зу на га ла кто зу и глю ко зу, а та кж е га ла кто зи дпе р ме а зу (тр а нспо р тно го б е лка , не о б х о ди мо го для пр о ни кно ве ни я β-га ла кто зи до в, в ч а стно сти ла кто зы , ч е р е з кле то ч ную ме мб р а ну) и тр а нса це ти ла зу. Э ти ф е р ме нты ко ди р ую тся тр е мя стр уктур ны ми ге на ми : Z, Y и A со о тве тстве нно , ко то р ы е в ко мпле ксе с ге но м – о пе р а то р о м, а та кж е о б щи ми для стр уктур ны х ге но в пр о мо то р о м (уч а стко м Д Н К, р а спо ло ж е нны м пе р е д о пе р а то р о м) и те р ми на то р о м тр а нскр и пци и о б р а зую то пе р о н (р и суно к 15). В сх е му о пе р о нно й р е гуляци и вх о ди т та кж е ге н-р е гулято р , ко ди р ую щи й б е ло к-р е пр е ссо р . Н о ге н-р е гулято р не вх о ди тв со ста в о пе р о на и мо ж е тна х о ди ть ся на р а ссто яни и о тне го . Си нте зи р уе мы й и м р е пр е ссо р со -

46

е ди няе тся с о пе р а то р о м, "за пр е ща я“(б ло ки р уя) тр а нскр и пци ю о пе р о на в пр и сутстви и глю ко зы ка к и сто ч ни ка пи та ни я. Х о тя РН К-по ли ме р а за мо ж е тсвяза ть ся с пр о мо то р о м, о на не пе р е ме ща е тся да ль ш е “ вы клю ч е нно го ” о пе р а то р а . Т.е . р е пр е сси р о ва нны й о пе р а то р вы по лняе тр о ль сво е о б р а зно го ш ла гб а ума , пр е пятствую ще го пр о дви ж е ни е РН К-по ли ме р а зы о тпр о мо то р а к стр уктур ны м ге на м. Ге ны Z, Y и A “ не р а б о та ю т”. а

П р о мо то р Ге нр е гулято р

1

2

о пе р а то р

О пе р о н

Стр уктур ны е ге ны

Z

Y

Те р ми на то р Д НК 5′

A

3′ Н а пр а вле ни е тр а нскр и пци и

б Ге нр е гулято р

1

2

Cap-cAMP РН К-по ли ме р а за

Ге нр е гулято р

Ре пр е ссо р Суб стр а т- ла кто за

Z

Y

Д НК

A

Тр а нскр и пци и не т

о пе р а то р

Ре пр е ссо р

в

Ла кто зы не т О пе р о н “ не р а б о та е т”

о пе р а то р

Са йтCap

О пе р о н “ р а б о та е т” Z 5′

Y

Д НК

A

мРН К 3′ Бе лки ф е р ме нты

Ри суно к 15. Сх е ма р е гуляци и ла кто зно го о пе р о на E. coli а - стр уктур а ла кто зно го о пе р о на : пр о мо то р со де р ж и тдва р а йо на : 1 – уч а сто к связы ва ни я с ко мпле ксо м Cap-cAMP (са йтCap) и 2- уч а сто к связы ва ни я с РН К-по ли ме р а зо й; б - не га ти вна я, в – по зи ти вна я р е гуляци я lac-о пе р о на . В о тсутстви е ла кто зы р е пр е ссо р (пр о дуктге на -р е гулято р а ) связы ва е тся с о пе р а то р о м, за пр е ща я тр а нскр и пци ю . Х о тя РН К-по ли ме р а за мо ж е т связа ть ся с пр о мо то р о м, о на не пе р е ме ща е тся да ле е “вы клю ч е нно го ” о пе р а то р а ; ге ны не р а б о та ю т. В пр и сутстви и ла кто зы р е пр е ссо р и на кти ви р уе тся и о тсо е ди няе тся о т о пе р а то р а . М о ле кула РН К-по ли ме р а зы пе р е ме ща е тся, и на ч и на е тся тр а нскр и пци я.

47

П р и за ме не глю ко зы на ла кто зу б е ло к-р е пр е ссо р вр е ме нно и на кти ви р уе тся по д де йстви е м суб стр а та - ла кто зы . Бе ло к-р е пр е ссо р о тсо е ди няе тся о то пе р а то р а , ч то о ткр ы ва е тпуть мо ле кула м РН К-по ли ме р а зы для пе р е ме ще ни я и тр а нскр и пци и тр е х ге но в в со ста ве о дно й по ли ци стр о нно й мо ле кулы мРН К. Т.е . стр уктур ны е ге ны , о сво б о ж де нны е о тко нтр о ля о пе р а то р а , на ч и на ю т экспр е сси р о ва ть ся, пр о дуци р уя а да пти вны е ф е р ме нты , ути ли зи р ую щи е ла кто зу. Сни ж е ни е ко нце нтр а ци и суб стр а та - ла кто зы (по сле е го р а сще пле ни я а да пти вны ми ф е р ме нта ми ) вно вь являе тся си гна ло м к со е ди не ни ю б е лка -р е пр е ссо р а с о пе р а то р о м и пр е кр а ще ни я тр а нскр и пци и ге но в lac-о пе р о на . Т.е . си нте з тр е х ф е р ме нто в пр о и сх о ди т то ль ко в то м случ а е , ко гда в эти х ф е р ме нта х во зни ка е тпо тр е б но сть . У да ле нно сть ге на -р е гулято р а о то пе р о на сви де те ль ствуе то то м, ч то р е пр е ссо р – это р а ство р и мы й в ци то пла зме пр о дукт, пр и сутствую щи й в а кти вно й ф о р ме пр и на ли ч и и в ср е де глю ко зы и и на кти ви р о ва нны й пр и за ме не глю ко зы на ла кто зу. Сх е ма р е гуляци и де йстви я ге но в в си сте ме lac-о пе р о на у E. coli на зва на не га ти вно й, т.к. пр о дуктге на -р е гулято р а , связы ва ясь с о пе р о но м, за пр е ща е ттр а нскр и пци ю , т.е . де йствуе тне га ти вно на экспр е сси ю ге но в. В ко р о тко е вр е мя эта мо де ль Ф . Ж а ко б а и Ж . М о но о ка за ла сь в це нтр е вни ма ни я б и о ло го в все го ми р а , по ско ль ку впе р вы е по зво ли ла уви де ть р е а ль ны й ме х а ни зм р е гуляци и а кти вно сти ге но в. П о зж е б ы ло уста но вле но , ч то на р яду с не га ти вно й си сте мо й р е гуляци и lac-о пе р о н на х о ди тся и по д по зи ти вны м ко нтр о ле м. Еще в 40-х го да х XX ве ка б ы ло и зве стно , ч то е сли кле тки E. coli вы р а щи ва ть на ср е де с глю ко зо й и ла кто зо й, то ути ли за ци я ла кто зы на ч не тся ли ш ь по сле то го , ка к б уде т и спо ль зо ва на вся и ме ю ща яся в ср е де глю ко за . Ра сш и ф р о ва ть ме х а ни зм глю ко зно го эф ф е кта суме ли Р. П е р лма н и А. П а ста н, о б на р уж и вш и е , ч то тр а нскр и пци я lac-о пе р о на ко нтр о ли р уе тся мо ле куло й эф ф е кто р о м - ци кли ч е ски м а де но зи нмо но ф о сф а то м (cAMP) и б е лко ма кти ва то р о м - Cap-б е лко м (о та нгл. catabolite gene activation protein- б е ло к, а кти ви р ую щи й ка та б о ли ч е ски е ге ны ). И х пр и сутстви е вы зы ва е т не р е пр е сси ю , а на пр о ти в, а кти ви р о ва ни е тр а нскр и пци и . Бе з Cap-б е лка РН Кпо ли ме р а за не мо ж е тсвяза ть ся с о пе р о но м и на ч а ть тр а нскр и пци ю . В ступи в в ко мпле кс с cAMP, С ap-б е ло к а кти ви зи р уе тся и то ль ко по сле это го пр и со е ди няе тся к сво е му са йту (Cap-уч а стку) на пр о мо то р е , мно го кр а тно (по ч ти в 50 р а з) уси ли ва я тр а нскр и пци ю ге но в lac-о пе р о на . П р и ч е м, тр а нскр и пци я lac-ге но в во змо ж на то ль ко пр и не до ста тке и ли о тсутстви и глю ко зы . В это м случ а е по вы ш а е тся ко нце нтр а ци я cAMP, ко то р ы й ф о р ми р уе т ко мпле кс Cap-cAMP, со е ди няю щи йся с пр о мо то р о м и да ю щи й во змо ж но сть РН К-по ли ме р а зе по па сть в уч а сто к пе р во на ч а ль но го связы ва ни я. П р и и зб ы то ч но м ко ли ч е стве глю ко зы ко нце нтр а ци я cAMP си ль но сни ж а е тся и ко мпле кс Cap-cAMP о б р а зо ва ть ся не мо ж е т, в р е зуль та те ч е го РН К-по ли ме р а за не мо ж е тсвяза ть ся с пр о мо то р о м и lac-ге ны не тр а нскр и б и р ую тся. cAMP в б а кте р и ях по луч и лна зва ни е “ си гна л го ло да ”.

48

Cи сте ма по зи ти вно го ко нтр о ля х а р а кте р на и для тр и пто ф а но во го о пе р о на . О сно вны м пр е и муще ство м о пе р о нно й о р га ни за ци и ге но в у пр о ка р и о тявляе тся ко о р ди на ци я р е гуляци и а кти вно сти : все ге ны , вх о дящи е в о пе р о н, о дно вр е ме нно экспр е сси р ую тся и ли не экспр е сси р ую тся в уни со н. К на и б о ле е х о р о ш о и зуч е нны м о пе р о на м б а кте р и й о тно сятся ла кто зны й (lac)-о пе р о н, га ла кто зны й (gal)-о пе р о н и тр и пто ф а но вы й (trp) – о пе р о н E. coli. Д ля ка ж до го о пе р о на и ме ю тся сво и спе ци ф и ч е ски е и ндукто р ы и ф ункци о на ль ны е са йты упр а вле ни я. Ка ж ды й и з ни х ф ункци о ни р уе ти р е гули р уе тся не за ви си мо др уг о тдр уга . П о это му, ме няя ло ка ли за ци ю о пе р о но в в ге но ме и ли пе р е но ся в др уги е кле тки , мо ж но до б и ва ть ся и х экспр е сси и , ч то и спо ль зую тв р а б о те по в ге не ти ч е ско й и нж е не р и и . В на сто яще е вр е мя в ге но ме ки ш е ч но й па ло ч ки вы явле но и пр е дска за но 2584 о пе р о на . П р е дла га я мо де ль ла кто зно го о пе р о на , Ф . Ж а ко б и Ж . М о но дума ли , ч то и х мо де ль уни ве р са ль на и пр и ме ни ма для пр о - и эука р и о т(“ Ч то ве р но для E. coli, ве р но для сло на ”). Н о это о ка за ло сь не та к. У эука р и о то пе р о ны не о б на р уж е ны . У пр о ка р и о т ж е р е гуляци я а кти вно сти ге но в на сто ль ко р а зно о б р а зна , ч то пр а кти ч е ски не т двух о ди на ко во р е гули р ую щи х ся о пе р о но в. Н о са м пр и нци п, пр е дло ж е нны й ф р а нцузски ми уч е ны ми , б ы л ве р е н и для пр о ка р и о т, и для эука р и о т. У все х о р га ни змо в е сть ка к стр уктур ны е ге ны (не сущи е и нф о р ма ци ю о стр уктур е по ли пе пти до в и ли р а зли ч ны х ти па х РН К), та к и р е гулято р ны е (не и ме ю щи е ко ди р ую ще й ф ункци и , но упр а вляю щи е р а б о то й стр уктур ны х ге но в путе м пр и со е ди не ни я к ни м р а зли ч ны х б е лко вы х ф а кто р о в). В р е зуль та те пр и со е ди не ни я р е гулято р ны х б е лко в со о тве тствую щи е ге ны ли б о вклю ч а ю тся (по зи ти вны й ко нтр о ль ), ли б о вы клю ч а ю тся (не га ти вны й ко нтр о ль ). 2.2. Каскадны й т и п регуляци и эксп ресси и генов у эукари от Ре гуляци я а кти вно сти ге но в у эука р и о т го р а здо сло ж не е и ме не е и зуч е на , ч е м у пр о ка р и о т. Э то связа но , пр е ж де все го , с о со б е нно стями о р га ни за ци и и х ге но мо в. 1. С на ли ч и е м у эука р и о то б о со б ле нно го о тци то пла змы кле то ч но го ядр а и сло ж но устр о е нны х х р о мо со м. П р и сутстви е яде р но й о б о ло ч ки у эука р и о т пр и ве ло к то му, ч то тр а нскр и пци я и тр а нсляци я о ка за ли сь у ни х р а зде ле нны ми во вр е ме ни и в пр о стр а нстве . Тр а нскр и пци я пр о и сх о ди т в ядр е , тр а нсляци я – в ци то пла зме . У пр о ка р и о тэти пр о це ссы о суще ствляю тся о дно вр е ме нно и ко о р ди ни р о ва нно : вно вь си нте зи р о ва нна я мРН К у ни х не ме дле нно пр и ступа е тк тр а нсляци и , в то вр е мя ка к ко не ц е е мо ле кулы е ще пр о до лж а е т тр а нскр и б и р о ва ть ся с Д Н К. Суще ствую т р а зли ч ны е ур о вни ко мпа кти за ци и (укла дки ) Д Н К в со ста ве эука р и о ти ч е ско й х р о мо со мы . П р и ч е м ур о ве нь тр а нскр и пци о нно й а кти вно сти за ви си т о т сте пе ни ко нде нси р о ва нно сти х р о ма ти на – ве ще ства , и з ко то р о го со сто ятх р о мо со мы . П ло тна я ко мпа кти за ци я Д Н К в ко мпле ксе с б е лка ми (ги сто на ми и не ги сто но вы ми б е лка ми ) де ла е т х р о ма ти н не до ступны м для де йстви я ф е р -

49

ме нто в. То ль ко в де ко мпа ти зи р о ва нно м со сто яни и ге ны до ступны для ф е р ме нто в, о суще ствляю щи х р е пли ка ци ю и тр а нскр и пци ю . 2. Ра зви ти е б о ль ш и нства эука р и о тсвяза но с ди ф ф е р е нци а ци е й кле то к. Бо ль ш и нство эука р и о тявляе тся мно го кле то ч ны ми о р га ни зма ми , уни х в о тде ль ны х о р га на х и тка нях кле тки спе ци а ли зи р о ва ны по ф ункци ям. Кр о ме то го , ге но мы р а зли ч ны х эука р и о ти ч е ски х о р га ни змо в со де р ж а т зна ч и те ль но б о ль ш е ге но в, ч е м ге но мы пр о ка р и о т. У ч е ло ве ка , на пр и ме р , по по сле дни м да нны м в ге но ме со де р ж и тся 32 ты сяч и ге но в, у не ма то ды – 19 ты с. ге но в, др о зо ф и лы – 13,6 ты с. ге но в, а р а б и до пси са – 25 ты с. ге но в, то гда ка к у б а кте р и и E. coli – о ко ло 4 ты с. ге но в. П р и ч е м, все кле тки в мно го кле то ч но м о р га ни зме и ме ю ти де нти ч ны й на б о р ге но в (т.е . ге не ти ч е ски о ди на ко вую и нф о р ма ци ю ). О дна ко все ге ны ни ко гда не экспр е сси р ую тся в кле тке о дно вр е ме нно . Д и ф ф е р е нци а ци я о р га но в и тка не й в о нто ге не зе о р га ни змо в, р а зви ва ю щи х ся и з о дно й кле тки (зи го ты ), пр о и сх о ди т б ла го да р я ди ф ф е р е нци а ль но й а кти вно сти ге но в (ди ф ф е р е нци а ль но й тр а нскр и пци и ) на р а зны х эта па х и нди ви дуа ль но го р а зви ти я, в р а зли ч ны х ти па х кле то к. П е р е клю ч е ни е си нте за с о дни х б е лко в на др уги е ле ж и т в о сно ве всяко го и нди ви дуа ль но го р а зви ти я. Д и ф ф е р е нци а ль на я а кти вно сть ге но в о пр е де ляе тся ге но ти по м и за ви си т та кж е о т во зде йстви я ф а кто р о в ср е ды . В р е зуль та те на б о р ы мРН К и б е лко в р а зли ч ны в р а зны х ти па х кле то к, на р а зны х эта па х и х р а зви ти я. Д ва о сно вны х ф унда ме нта ль ны х ме х а ни зма о б е спе ч и ва ю т ди ф ф е р е нци а ль ную а кти вно сть ге но в: и ндукци я а кти вно сти (тр а нскр и пци и ) и ге не ти ч е ско е мо лч а ни е - “ са йле нси нг”. Н а ци то ло ги ч е ско м ур о вне са йле нси нг пр о являе тся в ф о р ми р о ва ни и ге те р о х р о ма ти на (пло тно ко мпа кти зо ва нны х уч а стко в х р о ма ти на ). В х о де и нди ви дуа ль но го р а зви ти я (о нто ге не за ) эука р и о тпр о и сх о ди т по сте пе нна я и на кти ва ци я ге но ма и в ди ф ф е р е нци р о ва нны х кле тка х б о ль ш и нство ге но в на х о ди тся в р е пр е сси р о ва нно м со сто яни и . Н о по ме р е ди ф ф е р е нци р о вки кле то к на ч и на ю тф ункци о ни р о ва ть тка не спе ци ф и ч е ски е ге ны , тр а нскр и пци о нна я а кти вно сть ко то р ы х по сте пе нно во зр а ста е т. Ч и сло ж е а кти вно р а б о та ю щи х стр уктур ны х ге но в р а зли ч но в р а зли ч ны х тка нях и о р га на х , на р а зны х ста ди ях р а зви ти я. В это м о тно ш е ни и все стр уктур ны е ге ны эука р и о т усло вно де лят на 2 ти па : 1) ге ны “ до ма ш не го х о зяйства ”, ф ункци о ни р ую щи е во все х кле тка х о р га ни зма не за ви си мо о т сте пе ни и х ди ф ф е р е нци р о вки , на все х ста ди ях р а зви ти я; к ни м о тно сятся ге ны , ко ди р ую щи е б е лки ги сто ны , р РН К, тРН К, Д Н К-по ли ме р а зу и др . 2) “ ге ны р о ско ш и ”, ф ункци о ни р ую щи е в кле тка х о дно й тка ни (на пр и ме р , ге ны , де те р ми ни р ую щи е си нте з ми о зи на в мы ш е ч но й тка ни ) и ли спе ци ф и ч ны е для о дно го ти па кле то к (на пр и ме р , ге ны ге мо гло б и на в эр и тр о ци та х ). Ре гуляци я де йстви я ге но в у эука р и о тмо ж е тпр о и сх о ди ть на лю б о м эта пе б е лко во го си нте за Д Н К→РН К→б е ло к: ко нтр о ль на ур о вне тр а нскр и пци и , пр о це сси нга мРН К, тр а нсляци и и по сттр а нсляци о нно го и зме не ни я б е лко в. В са мо м о б ще м ви де р е гуляци я де йстви я ге но в на ур о вне тр а нскр и пци и о суще ствляе тся в пр о це ссе ко мпа кти за ци и и де ко мпа кти за ци и уч а стко в Д Н К х р о мо со м. Ко нтр о ль на ур о вне тр а нскр и пци и за ви си т

50

о тр е гулято р ны х б е лко в, связы ва ю щи х ся с о пр е де ле нны ми по сле до ва те ль но стями Д Н К. П р и ч е м б е лко в-р е гулято р о в (р е пр е ссо р о в и а кти ва то р о в) у эука р и о тзна ч и те ль но б о ль ш е , ч е м у пр о ка р и о т. Ре гулято р ны е по сле до ва те ль но сти Д Н К не о б х о ди мы ка к для и ни ци а ци и тр а нскр и пци и , та к и для р е гуляци и е е ско р о сти и и нте нси вно сти . П р и ч е м ме х а ни зм р е гуляци и тр а нскр и пци и у эука р и о тб о ле е ги б ки й, ч е м у пр о ка р и о т. У пр о ка р и о тр е гуляци я а кти вно сти ге но в в б о ль ш и нстве случ а е в пр о и сх о ди тпо пр и нци пу “ все и ли ни ч е го ”. У эука р и о ти ч е ски х кле то к во змо ж на ню а нси р о ва нна я р е гуляци я – о т по лно й экспр е сси и до по лно й р е пр е сси и , ч то до сти га е тся путе м ло ка ль но й мо ди ф и ка ци и Д Н К, и зме не ни е м внутр и кле то ч ны х усло ви й и др . 2.2.1. Регуляци я акт и вност и генов на уровне т ранскри п ци и Эн ха н серы и са йлен серы – регулят о рн ы е уч а ст к и ген а У эука р и о тси сте мы о пе р о на о тсутствую т, но у ни х и ме ю тся спе ци ф и ч е ски е эле ме нты р е гуляци и , та ки е ка к энх а нсе р ы (уси ли те ли ) и са йле нсе р ы (глуш и те ли ). Э то ко р о тки е нукле о ти дны е по сле до ва те ль но сти . Д е йстви е те х и др уги х эле ме нто в связа но с и зме не ни е м стр уктур ы х р о ма ти на . Э нх а нсе р ны е по сле до ва те ль но сти служ а тв ка ч е стве спе ци ф и ч е ски х уч а стко в связы ва ни я о со б ы х р е гулято р ны х б е лко в (б е лко вы х ф а кто р о в), а кти ви р ую щи х пр о це сс тр а нскр и пци и . Н а пр и ме р , энх а нсе р ви р уса ж и во тны х SV-40 р а зме р о м 72 пн (в ге но ме ко то р о го впе р вы е б ы ли на йде ны та ки е эле ме нты р е гуляци и ) мо ж е т уси ли ва ть тр а нскр и пци ю βгло б и но во го ге на в 200 р а з. Э нх а нсе р ы мо гутр а спо ла га ть ся в лю б о й о р и е нта ци и и на р а зли ч ны х р а ссто яни ях о тпр о мо то р а : не то ль ко в 5’- ко нце (р ядо м с пр о мо то р о м), но и в ты сяч а х па р нукле о ти до в о т пр о мо то р а - в се р е ди не ге на , в е го 3’-о б ла сти , вх о ди ть в со ста в и нтр о но в. П р и ч е м, это т ти п ко нтр о ля ге нно й а кти вно сти на р а ссто яни и являе тся ско р е е пр а ви ло м, ч е м и склю ч е ни е м. Ка к эти б е лки мо гут де йство ва ть на б о ль ш и х р а ссто яни ях ? Со гла сно са мо й пр о сто й мо де ли , Д Н К ме ж ду энх а нсе р о м и пр о мо то р о м о б р а зуе т пе тлю , в р е зуль та те ч е го б е лки , связа нны е с энх а нсе р о м, не по ср е дстве нно вза и мо де йствую тс о дни м и з о б щи х ф а кто р о в тр а нскр и пци и и ли с мо ле куло й са мо й РН К-по ли ме р а зы (р и с.16). С по мо щь ю б е лко вр е гулято р о в ка ж ды й ге н спе ци ф и ч е ски вклю ч а е тся и ли вы клю ч а е тся. И х на б о р ы р а зли ч а ю тся в р а зны х кле тка х и у р а зны х ге но в. Ф а кти ч е ски ка ж до муо р га но - и ли тка не спе ци ф и ч е ско муге нусо о тве тствуе тсво й энх а нсе р . С о гла со ва н н а я регуляци я ген о в У эука р и о то тсутствую то пе р о ны , по до б ны е о пе р о на м б а кте р и й. Ге ны , ко нтр о ли р ую щи е р а зли ч ны е эта пы о дно го и то го ж е пути ме та б о ли зма , ка к пр а ви ло , случ а йно р а зб р о са ны по все му ге но му. О ни мо гутр а спо ла га ть ся в р а зны х уч а стка х о дно й х р о мо со мы и ли да ж е в р а зны х х р о мо со -

51

ма х и о б ы ч но не о б р а зую тско пле ни й, на по ми на ю щи х о пе р о н. Те м не ме не е , для эука р и о тх а р а кте р на со гла со ва нна я (ко о р ди ни р о ва нна я) р е гуляци я ге но в, пр о стр а нстве нно р а зо б ще нны х . В о тве тна де йстви е р а зли ч ны х и н Ф а кто р ы тр а нскр и пци и

Ф а кто р ы тр а нскр и пци и

Д НК П р о мо то р

Э нх а нсе р

ге н Н а пр а вле ни е тр а нскр и пци и

У ч а сто к, р а зде ляю щи й пр о мо то р и энх а нсе р , мо ж е ти ме ть дли ну в не ско ль ко тпн Э нх а нсе р

РН К-по ли ме р а за II

П р о мо то р

У си ле ни е тр а нскр и пци и

Ри суно к 16. У пр о ще нна я сх е ма р е гуляци и тр а нскр и пци и ге на с по мо щь ю энх а нсе р ны х уч а стко в дукто р о в (на пр и ме р , го р мо но в, вы со ко й те мпе р а тур ы и др .) а кти ви зи р уе тся це ла я б а та р е я ге но в. Э то му спо со б ствуе тсуще ство ва ни е го мо ло ги ч ны х по вто р о в с 5′-ко нца у р а зны х ге но в. Си гна лы и ндукци и служ а т ка к б ы “ клю ч а ми ”, о тпи р а ю щи ми о ди н и то тж е “ за мо к” в р а зли ч ны х ге на х о дно й гр уппы (ка к пр а ви ло , ко ди р ую щи х б е лки со сх о дно й ф ункци е й). Та к, вве де ни е в о р га ни зм ж и во тно го го р мо на ги др о ко р ти зо на а кти ви зи р уе тгр уппу ге но в пе ч е ни , ср е ди ко то р ы х на х о дятся ка к ге ны , ко ди р ую щи е о пр е де ле нны е б е лки , та к и ге ны р РН К и тРН К. П р и ме р о м со гла со ва нно й р е гуляци и ге но в та кж е являе тся а кти ви за ци я ге но в БТШ (б е лко в те пло во го ш о ка ) в о тве тна те пло во й ш о к (см. ни ж е ). Го мео бо к с и его уч а ст и е в регуляци и ген о в О со б ы й ти п р е гуляци и ге нно й а кти вно сти б ы л уста но вле н пр и и зуч е ни и ге нно го ко нтр о ля ф о р ми р о ва ни я се гме нта ль но го пла на стр о е ни я те ла у др о зо ф и лы . Аме р и ка нски й уч е ны й В . Ге р и нг с ко лле га ми в 90-х гг. XX ве ка , пр и ме ни в но вы е ме то ды мо ле куляр но й б и о ло ги и к а на ли зу р а зви ти я др о зо ф и лы , о б на р уж и л, ч то мно ги е ге ны , ко нтр о ли р ую щи е пр о стр а нстве нную о р га ни за ци ю р а зви ти я эмб р и о на , со де р ж а т о ди н и то т ж е се гме нт Д Н К в ви де спе ци ф и ч е ско й ко нсе р ва ти вно й по сле до ва те ль но сти дли но й 180 пн, р а спо ло ж е нно й в 3′-ко нце вы х ч а стях ге но в. Э та по сле до ва те ль но сть (р а зме р о м 180 пн), ко то р а я и ме ла на и б о ль ш ую го мо ло ги ю у мно ги х ге но в, по луч и ла на зва ни е го мео бо к с, т.к. впе р вы е б ы ла вы явле на в го ме о зи сны х ге на х др о зо ф и лы (т.е . в ге на х , уч а ствую щи х в р е гуляци и

52

ди ф ф е р е нци р о вки и р а зви ти я), а по зж е б ы ла о б на р уж е на во мно ги х р е гулято р ны х ге на х . Та к, пр и не ко то р ы х мута ци ях го ме о б о кссо де р ж а щи х ге но в (на пр и ме р , мута ци и го ме о зи сны х ге но в Antennapedia, ко нтр о ли р ую щи х р а зви ти е го ло вны х се гме нто в) на го ло ве умуш е к вме сто а нте нн на ч и на ю т р а зви ва ть ся но ги . Го ме о б о кс ко ди р уе т со о тве тствую щи й е му ф р а гме нтб е лко во й мо ле кулы дли но й 60 а ми но ки сло тны х о ста тко в. Его на зва ли го ме о до ме но м. Д Н К-связы ва ю щи й до ме н по ли пе пти да о тно си тся к р е гулято р ны м б е лка м (до ме н – это уч а сто к по ли пе пти да , вы по лняю щи й о пр е де ле нную ф ункци ю ). Т.е . ге ны , вх о дящи е в со ста в го ме о б о кса , о б ла да ю т спо со б но сть ю р е гули р о ва ть а кти вно сть др уги х ге но в путе м связы ва ни я о б р а зую ще йся пр и и х тр а нсляци и а ми но ки сло тно й по сле до ва те ль но сти с дво йно й спи р а ль ю Д Н К, вклю ч а я и ли вы клю ч а я пр и это м о пр е де ле нны е ге ны . Ге ны , о б ла да ю щи е го ме о б о ксо м, вы явле ны та кж е у не ма то д, ч е р ве й, ж уко в, мо р ски х е ж е й, лягуш е к, кур , мы ш е й и ч е ло ве ка . У др о зо ф и лы о б на р уж е но свы ш е 20 ге но в, со де р ж а щи х в сво е м со ста ве го ме о б о кс. М ет и ли ро ва н и е ДНК к а к спо со б к о н т ро ля а к т и вн о ст и ген о в М е ти ли р о ва ни е – пр о це сс пр и со е ди не ни я к нукле о ти ду ме ти ль но й гр уппы (-CH3). М е ти ла зы (ме ти лтр а нсф е р а зы ) – ф е р ме нты , пр и со е ди няю щи е ме ти ль ную гр уппу к о пр е де ле нны м а зо ти сты м о сно ва ни ям в Д Н К. Э то о б р а ти ма я х и ми ч е ска я мо ди ф и ка ци я а зо ти сто го о сно ва ни я. В пр и р о де ш и р о ко р а спр о стр а не но ме ти ли р о ва ни е ци то зи на . В р е зуль та те пр и со е ди не ни я ме ти ль но й гр уппы к угле р о ду в 5-о м по ло ж е ни и мо ле кулы ци то зи на , вх о дящи х в со ста в ди нукле о ти дно й по сле до ва те ль но сти –CG (это ми ш е ни ме ти ли р о ва ни я Д Н К), о б р а зуе тся 5-ме ти лци то зи н. Ка ж ды й са йтме ти ли р о ва ни я на сле дуе тся пр и р е пли ка ци и до ч е р ни ми мо ле кула ми Д Н К. М е ти ли р о ва ни е Д Н К ш и р о ко пр е дста вле но в ге но ма х р а зны х о р га ни змо в (б а кте р и й, р а сте ни й, на се ко мы х , мле ко пи та ю щи х ) и и ме е тб о ль ш о е зна ч е ни е для и х р а зви ти я. Та к, в ге но ме мле ко пи та ю щи х , в то м ч и сле у ч е ло ве ка , 70-80% мо ле кул ци то зи на в со ста ве ди нукле о ти до в 5′-CG-3′ (CpG ди нукле о ти ды ) пр е дста вле ны 5-ме ти лци то зи но м. В на ч а ле 80-х го до в б ы ла вы явле на ко р р е ляци я ме ж ду х а р а кте р о м экспр е сси и ге но в и сте пе нь ю ме ти ли р о ва ни я Д Н К. Са те лли тна я Д Н К о б ы ч но ме ти ли р о ва на в зна ч и те ль но б о ль ш е й сте пе ни , ч е м Д Н К стр уктур ны х ге но в. М е ти ли р о ва нна я Д Н К о б ы ч но а ссо ци и р о ва на с не а кти вны м со сто яни е м ге но в, а ди ме ти ли р о ва нна я – с а кти ва ци е й ге но в. Т.е . Д Н К не а кти вны х ге но в ме ти ли р о ва на си ль не е , ч е м Д Н К а кти вны х ге но в. М е ти ли р о ва ни е Д Н К мо ж е твклю ч а ть в се б я пр ямо е по да вле ни е тр а нскр и пци и путе м сво р а ч и ва ни я ме ти ли р о ва нно го пр о мо то р а в си ль но ко мпа кти зо ва нную , не до ступную для тр а нскр и пци о нны х ф а кто р о в стр уктур у. Сте пе нь ме ти ли р о ва ни я Д Н К ме няе тся в пр о це ссе р а зви ти я, а та кж е за ви си т о т во зр а ста о р га ни зма и го р мо на ль ны х во зде йстви й. Ста тус ме ти ли р о ва ни я в кле тке мо ж е т и зме нять ся по д вли яни е м вр е дны х эко ло ги ч е ски х ф а кто р о в, в ч а стно сти , тяж е лы х ме та лло в.

53

М е ти ли р о ва ни е Д Н К – о ди н и з о сно вны х ме х а ни змо в эпи ген ет и ч еск о й и змен ч и во ст и , по д ко то р о й по ни ма е тся и зме не ни я ди ф ф е р е нци а ль но й экспр е сси и ге но в, на сле дуе мы е в р яду ми то ти ч е ски х де ле ни й кле тки б е з и зме не ни я пе р ви ч но й по сле до ва те ль но сти нукле о ти до в Д Н К. В на сто яще е вр е мя сч и та е тся, ч то ме ти ли р о ва ни е Д Н К и зме няе твза и мо де йстви е ме ж ду Д Н К и б е лка ми , вх о дящи ми в со ста в х р о ма ти на (ве ще ства х р о мо со м) и и ме нно это вза и мо де йстви е ч е р е з ме х а ни зм ко мпа кти за ци и - де ко мпа кти за ци и х р о ма ти на р е гули р уе т экспр е сси ю ге но в. То ль ко в де ко мпа кти зи р о ва нно м со сто яни и ге ны ка к уч а стки мо ле кулы Д Н К ста но вятся до ступны ми ф е р ме нта м, о суще ствляю щи м тр а нскр и пци ю . П р е дпо ла га е тся, ч то ме ти ли р о ва ни е и гр а е т ва ж ную р о ль в за щи те ге но ма о тмо б и ль ны х ге не ти ч е ски х эле ме нто в, а та кж е в и нка ти ва ци и пе р е не се нны х в кле тку “ ч уж е р о дны х ” ге но в. И зве стно , ч то зна ч и те ль ную ч а сть Д Н К ч е ло ве ка (до 45%) за ни ма ю т ви р усны е и б а кте р и а ль ны е ге ны (и ли и х ф р а гме нты ), ко то р ы е встр о и ли сь в ге но м за мно ги е ве ка эво лю ци и . Ака де ми к РАН Л.Л. Ки се ле в на зы ва е т и х “ мо ле куляр ны м кла дб и ще м” ге но ма . К сч а сть ю , б о ль ш и нство ви р усны х ге но в о ч е нь си ль но ме ти ли р о ва ны и по это му не а кти вны (“ мо лч а т”). Кр о ме то го , и зве стны пр и ме р ы , ко гда с по ни ж е ни е м сте пе ни ме ти ли р о ва ни я мно ги е тр а нспо зо ны (мо б и ль ны е ге не ти ч е ски е эле ме нты ) а кти ви зи р о ва ли сь , а ч а сто та мута ци й во зр а ста ла в де сятки р а з. П р и во дятся да нны е о то м, ч то для р а ко вы х кле то к х а р а кте р но , с о дно й сто р о ны , сни ж е ни е ур о вня ме ти ли р о ва ни я ге но мно й Д Н К в це ло м, а с др уго й – по вы ш е нно е со де р ж а ни е ме ти ль ны х гр упп в ге на х , сде р ж и ва ю щи х пр е вр а ще ни е о б ы ч ны х кле то к в р а ко вы е . С ме ти ли р о ва ни е м Д Н К связы ва ю тта ко е явле ни е , ка к и мпр и нти нг = яде р на я па мять (эф ф е ктга ме тно го /ге нно го за пе ч а тле ни я; о та нгл. imprint – о ста влять о тпе ч а то к, за пе ч е тле ва ть ). Э то о ди н и з ва р и а нто в эпи ге не ти ч е ско й на сле дстве нно сти . И мпр и нти нг пр е дста вляе тсо б о й за ви си мо сть пр о явле ни я (экспр е сси и ) ге на о тто го , о тко го на сле дуе тся да нны й ге н (о тма те р и и ли о тца ), ч ь и ме ти ли р ую тся нукле о ти дны е по сле до ва те ль но сти (ге но в о тцо вско го и ли ма те р и нско го ге но ма ). Та к, ге н, пр и ш е дш и й о т о тца , мо ж е т б ы ть си ль не е ме ти ли р о ва н и не а кти ве н, то гда ка к го мо ло ги ч ны й ма те р и нски й ге н мо ж е та кти вно тр а нскр и б и р о ва ть ся, ч то мо ж е тпр о яви ть ся в не пр е дска зуе мо м на сле до ва ни и пр и зна ко в (да ж е е сли это о дно яйцо вы е б ли зне цы ). Т.е . в уч а стка х ге но ма , по две р ж е нны х и мпр и нти нгу, экспр е сси р уе тся то ль ко о ди н а лле ль – о тцо вски й и ли ма те р и нски й. У ч е ло ве ка с ф е но ме но м и мпр и нти нга связа н це лы й р яд на сле дстве нны х за б о ле ва ни й. Еще о ди н пр и ме р . Са мки мле ко пи та ю щи х о б ла да ю тдвумя по ло вы ми Х -х р о мо со ма ми . Ге ны в эти х по ло вы х х р о мо со ма х де те р ми ни р ую т ди ф ф е р е нци р о вку по ла на р а нни х ста ди ях эмб р и о ге не за , по сле ч е го о дна и з Х -х р о мо со м и на кти ви р уе тся (ге те р о х р о ма ти зи р уе тся), пр е вр а ща ясь в те ль це Ба р р а (по ло во й х р о ма ти н). Э ти м до сти га е тся сб а ла нси р о ва нно сть эф ф е кта ге но в Х -х р о мо со м и а уто со м, р а вно е для са мо к и са мцо в. Сч и та е тся, ч то в и на ка ти ва ци и о дно й и з двух х р о мо со м уч а ствую тпр о це ссы ме -

54

ти ли р о ва ни я (сна ч а ла Х -х р о мо со ма ко нде нси р уе тся, а за те м пр о и сх о ди т ме ти ли р о ва ни е не ко то р ы х е е ге но в). Э то не а кти вно е со сто яни е на сле дуе тся в кле то ч ны х по ко ле ни ях . П уте м де ме ти ли р о ва ни я с по мо щь ю 5′а за ци то зи на уда ва ло сь а кти ви зи р о ва ть ге ны не а кти вно й Х -х р о мо со мы . Регуляци я ген н о йа к т и вн о ст и по д дейст ви ем си гн а ло в вн ут рен н ейсреды П р и ме р о м р е гуляци и де йстви я ге но в по д де йстви е м си гна ло в внутр е нне й ср е ды являе тся о б р а зо ва ни е х р о мо со м ти па “ ла мпо вы х ще то к” в ди пло те не ме йо за . Э то ги га нтски е х р о мо со мы , о б на р уж и ва е мы е в пе р ви ч ны х о о ци та х по зво но ч ны х (р ы б , пти ц, а мф и б и й, р е пти ли й, мо р ски х е ж е й и др .). М е йо з на до лго (до не ско ль ки х ме сяце в) пр и о ста на вли ва е тся в пр о ф а зе I ме йо за на ста ди и ди пло те ны . В те ч е ни е это го вр е ме ни в о о ци те пр о и сх о ди т о ч е нь и нте нси вны й си нте з мо ле кул РН К, ф е р ме нто в и за па сны х б е лко вы х пр о дукто в, не о б х о ди мы х для р о ста яйца и р а зви ти я за р о ды ш а по сле о пло до тво р е ни я. В те ч е ни е это го пе р и о да х р о мо со мы пр е б ы ва ю тв си ль но де ко мпа кти зи р о ва нно м со сто яни и , пр и ни ма я ги га нтски е р а зме р ы . Н а б о ле е по здни х ста ди ях ме йо за х р о мо со мы ста но вятся ко мпа ктны ми . Н а ста ди и ди пло те ны х р о мо со мы и ме ю т х р о мо ме р но е стр о е ни е . Го мо ло ги ч ны е х р о мо со мы со е ди не ны по па р но (о б р а зую т б и ва ле нты ). Х а р а кте р и зую тся на ли ч и е м б о ль ш о го ко ли ч е ства па р но си мме тр и ч ны х р а зно р а зме р ны х б о ко вы х пе те ль , ка ж да я и з ко то р ы х пр е дста вляе тр а скр уч е нную (де спи р а ли зо ва нную ) х р о мо ме р у(р и суно к 17). Н а пе тлях пр о и сх о ди тси нте з мРН К.

Ри суно к 17. Сх е ма стр о е ни я х р о мо со мы ти па “ ла мпо вы х ще то к” а - б и ва ле нтс двумя х и а зма ми , па р но е р а спо ло ж е ни е б о ко вы х пе те ль ; б - па р а пе те ль на се стр и нски х х р о ма ти да х . В ы тянуты е пе тли , а та кж е мно го ч и сле нны е РН К-тр а нскр и пты пр и да ю тх р о мо со ма м не о б ы ч ны й “ мо х на ты й” ви д - ви д ще то к (е р ш и ко в). В ста р и ну та ки ми е р ш и ка ми ч и сти ли сте кла ке р о си но вы х ла мп. О тсю да и на зва ни е . К ко нцу пр о ф а зы пе тли сно ва втяги ва ю тся. В о б р а зо ва ни и пе тли уч а ствуе тср а зуне ве сь о тр е зо к Д Н К, а в ка ж ды й мо ме нтто ль ко ч а сть это го о тр е зка . В о лна –де спи р а ли за ци и пр о дви га е тся по не мупо сте пе нно , по ка

55

о н не б уде тпо лно сть ю тр а нскр и б и р о ва н. П е тли на х р о мо ме р а х р а зли ч ны по ве ли ч и не , по ско ль ку де спи р а ли за ци я пр о х о ди т в р а зны х по ве ли ч и не х р о мо ме р а х . Регуляци я а к т и вн о ст и ген о в при дейст ви и эк ст рема ль н ы х ф а к т о ро в М е х а ни зм та ко й р е гуляци и о б е спе ч и ва е тся пр о це сса ми , ко то р ы е стр е мятся ве р нуть кле тку в пр е ж не е со сто яни е . В а ж но й о со б е нно сть ю по до б но й р е гуляци и являе тся о б р а ти мо сть . Ге ны , ко ди р ую щи е а да пти вны е (стр е ссо вы е ) б е лки , о б р а зо ва ни е ко то р ы х р е зко уве ли ч и ва е тся по д вли яни е м р а зли ч ны х стр е ссо вы х ф а кто р о в (по вы ш е ни е те мпе р а тур ы , о тр а вле ни е ме та лла ми ), со де р ж а т в со ста ве пр о мо то р о в до по лни те ль ны е ко р о тки е нукле о ти дны е по сле до ва те ль но сти . Н а пр и ме р , в о тве т на по вы ш е ни е те мпе р а тур ы вы ш е ф и зи о ло ги ч е ско й (те пло во й ш о к) вы р а б а ты ва ю тся б е лки те пло во го ш о ка (БТ Ш ), б ы стр о е на ко пле ни е ко то р ы х в кле тке о б е спе ч и ва е тф и зи о ло ги ч е скую а да пта ци ю к и зме ни вш и мся усло ви ям ср е ды . Э то уни ка ль ны й ме х а ни зм а да пти вно й мо ди ф и ка ци и . Ге ны , ко ди р ую щи е та ки е б е лки , по др о б но о х а р а кте р и зо ва ны удр о зо ф и лы . О ткр ы ти е БТШ на ч а ло сь с р а б о тФ . Ри то сса (1962 г.), ко то р ы й, по ме ща я ли ч и но к др о зо ф и лы в усло ви я по вы ш е нно й те мпе р а тур ы (370С), на б лю да л в ги га нтски х по ли те нны х х р о мо со ма х о б р а зо ва ни е спе ци ф и ч е ско го на б о р а пуф о в (о т5 до 10) та м, где о ни не по являли сь пр и но р ма ль но й те мпе р а тур е . Та ки е пуф ы во зни ка ли та кж е в о тве тна во зде йстви е др уги х по вр е ж да ю щи х ф а кто р о в (р а ди а ци и , х и ми ч е ски х ве ще ств). П уф ы те пло во го ш о ка по являли сь в те ч е ни е пе р во й ми нуты по сле во зде йстви я на ли ч и нки и ч е р е з 30-40 ми н и сч е за ли . П р и ч е м, о ди на ко вы е пуф ы о б р а зо вы ва ли сь во все х кле тка х и т.к. впе р вы е о ни на б лю да ли сь в о тве тна т епло во йш о к , и это со пр о во ж да ло сь си нте зо м о дни х и те х ж е мРН К и б е лко в, та ки е б е лки по луч и ли на зва ни е БТ Ш . Си нте з ж е р а не е си нте зи р о ва вш и х ся, ти пи ч ны х для кле тки б е лко в и мРН К пр е кр а ща лся, но тр а нсляци я ге но в ги сто но в, р РН К, тРН К и ми то х о ндр и й со х р а няла сь на пр е ж не м ур о вне . В да ль не йш е м вы ясни ло сь , ч то р е а кци я те пло во го ш о ка р а зви ва е тся у др о зо ф и лы пр и де йстви и мно ги х по вр е ж да ю щи х а ге нто в, на пр и ме р , а нти б и о ти ка а нти ми ци на А, ги др о кси ла ми на , ко лх и ци на , х ло р и да а ммо ни я и др . Си нте з БТШ – это стр е ссо ва я пр о гр а мма , вклю ч а е ма я те пло вы м ш о ко м (пр и по дъе ме те мпе р а тур ы на 8-100С вы ш е но р ма ль но й) и ли мно го ч и сле нны ми др уги ми стр е ссо вы ми ф а кто р а ми . В клю ч е ни е ге но в БТШ о пр е де ляе тся р е гулято р ны ми зо на ми ге но в БТШ (HSE), пр о являю щи х зна ч и те ль но е стр уктур но е сх о дство у р а зли ч ны х о р га ни змо в. В о тве тна стр е сс о со б ы й по ли пе пти д – ф а кто р тр а нскр и пци и пр и те пло во м ш о ке (HSTF и ли HSF) связы ва е тся с р е гулято р но й зо но й ге но в те пло во го ш о ка (HSE), и ме ю ще й по сле до ва те ль но сть – CNNGAANNTTCNNG (где N- лю б о й нукле о ти д) и вклю ч а е та кти вную тр а нскр и пци ю да нны х ге но в. О суще стве нно й р о ли БТШ в ж и зни кле то к го во р и т и х вы со ка я ко нсе р ва ти вно сть в эво лю ци и . Та к, БТШ в кле тка х E. coli, р а сте ни й, на се ко мы х и мле ко пи -

56

та ю щи х пр о являю т б о ль ш ую сте пе нь го мо ло ги и по а ми но ки сло тно й по сле до ва те ль но сти . М е х а ни змы та ко й р е гуляци и о б е спе ч и ва ю тся пр о це сса ми , ко то р ы е стр е мятся ве р нуть кле тку в пр е ж не е со сто яни е . В а ж но й о со б е нно сть ю та ко й р е гуляци и являе тся о б р а ти мо сть . П о сле о ко нч а ни я те пло во го ш о ка си нте з БТШ пр е кр а ща е тся и во зо б но вляе тся си нте з б е лко в, х а р а кте р ны х для кле тки в но р ма ль ны х те мпе р а тур ны х усло ви ях . Если по да ви ть си нте з БТШ , кле тка не смо ж е т ве р нуть ся к си нте зу но р ма ль ны х б е лко в пр и по ни ж е ни и те мпе р а тур ы . Ка к по ка за ли да ль не йш и е и ссле до ва ни я, БТШ о б р а зую тся в р е зуль та те те пло во го ш о ка и удр уги х о р га ни змо в: др о ж ж е й, кукур узы , яще р и цы , кур и цы , мы ш и и ч е ло ве ка , ч то сви де те ль ствуе т о б и х ун и верса ль н о ст и . БТШ вы по лняю т ф ункци и ш а перо н о в – б е лко в, спо со б ствую щи х ф о р ми р о ва ни ю пр а ви ль но й пр о стр а нстве нно й ко нф и гур а ци и др уги х б е лко в, на ти вна я (пр а ви ль на я) ко нф и гур а ци я ко то р ы х на р уш а е тся пр и де йстви и р а зли ч ны х экстр е ма ль ны х ф а кто р о в. Регуляци я эк спресси и ген о в по д дейст ви ем го рмо н о в Зна ч и те ль ную р о ль в р е гуляци и де йстви я ге но в у эука р и о т и гр а ю т та кж е го р мо ны . Ср е ди го р мо но в р е гулято р а ми де йстви я ге но в вы ступа ю т по ло вы е го р мо ны , а др е на ли н, го р мо ны р о ста , го р мо ны щи то ви дно й ж е ле зы и др . Д ля ка ж до го и з ни х и ме ю тся гр уппы ко мпе те нтны х кле то к, ко то р ы е со де р ж а тспе ци а ль ны е р е це пто р ны е б е лки , с ко то р ы ми спе ци ф и ч е ски связы ва ю тся мо ле кулы го р мо на . Бе лки -р е це пто р ы о б е спе ч и ва ю тр е а кци ю кле то к на во зде йстви е р а зли ч ны х го р мо но в, а кти ви р уя и ли по да вляя экспр е сси ю о пр е де ле нны х ге но в. Ра зли ч а ю тпе пти дны е и сте р о и дны е го р мо ны . П е пти дны е (и нсули н) и сте р о и дны е (эстр о ге н и те сто сте р о н) пр е дста вляю т со б о й две си гна ль ны е си сте мы , и спо ль зуе мы е о р га ни змо м в ме ж кле то ч ны х ко ммуни ка ци ях . Си нте зи р уясь в спе ци а ль ны х се кр е то р ны х кле тка х , го р мо н вы сво б о ж да е тся и з ни х , по ступа е тв кр о вяно е р усло , а за те м в тка ни . Кр упны е мо ле кулы пе пти дны х го р мо но в не пр о ни ка ю т в кле тки и и х эф ф е кты о б е спе ч и ва ю тся б е лка ми -р е це пто р а ми , ло ка ли зо ва нны ми на ме мб р а на х кле то к-ми ш е не й. О б р а зую щи йся го р мо н-р е це пто р ны й ко мпле кс (пр и вза и мо де йстви и го р мо но в с и х р е це пто р а ми на кле то ч но й о б о ло ч ке ) пр о ни ка е т в ядр о и , связы ва ясь со спе ци ф и ч е ски ми уч а стка ми х р о ма ти на , пе р е во ди т е го в ф ункци о на ль но а кти вно е со сто яни е (р и суно к 18). Сле дстви е м это го являе тся тр а нскр и пци я да нно го ге на , со зр е ва ни е мРН К, тр а нспо р те е в ци то пла змуи си нте з б е лка . Ка ск а дн а я регуляци я Ге нна я а кти вно сть мо ж е тр е гули р о ва ть ся в пр о це ссе р а зви ти я о р га ни зма – в о нто ге не зе . Ка ска дна я р е гуляци я – х а р а кте р на я о со б е нно сть экспр е сси и ге но в у эука р и о т. Э то ди ф ф е р е нци р о ва нно е вклю ч е ни е и вы клю ч е ни е ге но в в пр о це ссе о нто ге не за в о тде ль ны х тка нях и о р га на х . Ка ска дна я р е гуляци я пр о и сх о ди т на ф о не со гла со ва нно й р е гуляци и в де йстви и

57

мно ги х ге но в. Т.е . пр о и сх о ди т стр о го упо р ядо ч е нна я во вр е ме ни и пр о стр а нстве ско о р ди ни р о ва нна я экспр е сси я со те н и ты сяч ге но в. р е це пт ор

г ор м он г ор м он-р е це пт ор ны й к ом пле к с

Ри суно к 18. Сх е ма о б р а зо ва ни я го р мо н-р е це пто р но го ко мпле кса и е го вза и мо де йстви я со спе ци ф и ч е ски м уч а стко м х р о мо со мы О дни м и з ва ж ны х р е гулято р о в о б р а зо ва ни я пуф о в в ги га нтски х х р о мо со ма х двукр ы лы х (а сле до ва те ль но , и ди ф ф е р е нци а ль но й тр а нскр и пци и ге но в у на се ко мы х ) являю тся сте р о и дны е го р мо ны , в ч а стно сти , го р мо н ли нь ки (о кукли ва ни я) – экди зо н. Э кди зо н о пр е де ляе тпе р е х о д ли ч и но к в ста ди ю куко лки , вклю ч а я (и вы клю ч а я) мно го ч и сле нны е б а та р е и ге но в, ф ункци о ни р ую щи х в са мы х р а зно о б р а зны х о р га на х . Д е йстви е го р мо на ве де т к ди ф ф е р е нци а ль но й а кти вно сти ге но в в ги га нтски х х р о мо со ма х слю нны х ж е ле з. П о ме р е х о да о нто ге не за и ди ф ф е р е нци р о вки ге ны вступа ю тв де йстви е в р а зно е вр е мя и в р а зны х со о тно ш е ни ях , ч то пр о являе тся в во зни кно ве ни и по ме р е р а зви ти я но вы х и и сч е зно ве ни и ста р ы х пуф о в. Ка ж да я ста ди я р а зви ти я ли ч и нки и ли пр е дкуко лки х а р а кте р и зуе тся о пр е де ле нны м на б о р о м (па тте р но м) пуф о в. П о ка за но та кж е вли яни е б е лко в, си нте зи р о ва нны х р а нни ми пуф а ми , на р а зви ти е по здни х пуф о в. Т.е . пр о дукты ге но в пр е дш е ствую щи х ста ди й р а зви ти я а кти ви зи р ую т но вы е ге нны е на б о р ы в по сле дую щи е ста ди и : и ме е тся пр е е мстве нно сть в экспр е сси и ге но в р а нни х и б о ле е по здни х ста ди й. П р и о б р а зо ва ни и пуф о в пр о и сх о ди т и зме не ни е стр уктур ы х р о ма ти на - е го де ко мпа кти за ци я. И ссле до ва ни ями на ш и х р о сси йски х ге не ти ко в И .Ф . Ж и муле ва , Е.С. Бе ляе во й и др . в на ч а ле 80-х гг. б ы ло уста но вле но , ч то ка ска д и зме не ни й ге нно й а кти вно сти в сво ю о ч е р е дь на х о ди тся по д ге не ти ч е ски м ко нтр о ле м. И ми впе р вы е б ы л о ткр ы т и кло ни р о ва н ге н, р а б о та ю щи й ка к вклю ч а те ль (ге н-тр и гге р ), на зва нны й впо сле дстви и BR-C, мута ци и ко то р о го де ла ю ткле тку не ч увстви те ль но й к го р мо ну. Связа но это с те м, ч то ге н BR-C ко ди р уе т ф а кто р тр а нскр и пци и , за пуска ю щи й ве сь ка ска д ге нно й а кти вно сти , и ндуци р уе мы й экди зо но м. Бе ло к о ка за лся о ч е нь ко нсе р ва ти вны м и ко нтр о ли р уе тэкди зо нную и ндукци ю у все х на се ко мы х . В те ж е го ды те ми ж е а вто р а ми б ы л о ткр ы тге н swi, ко нтр о ли р ую щи й пе р е да ч у си гна ла о тр а нни х пуф о в по здни м. Н е ма ло ва ж но е зна ч е ни е в р е гуляци и де йстви я ге но в пр и на дле ж и ти мо б и ль ны м ге не ти ч е ски м эле ме нта м, ко то р ы е мо гут и гр а ть р о ль ми гр и -

58

р ую щи х пр о мо то р о в, о б ъе ди няя стр уктур ны е ге ны и р е гулято р ны е эле ме нты и на стр а и ва я и х на о б щи е си гна лы р е гуляци и . 2.2.2. Регуляци я акт и вност и генов на уровне п роцесси нга мРНК Со зр е ва ни е пе р ви ч ны х РН К-тр а нскр и пто в, вклю ч а ю ще е уда ле ни е и нтр о но в (спла йси нг) и о б р а зо ва ни е зр е лы х мРН К, мо ж е тслуж и ть в ка ч е стве е ще о дно го ур о вня ко нтр о ля экспр е сси и ге но в. Ре гуляци я а кти вно сти ге но в мо ж е тпр о и сх о ди ть и пр и а ль те р на ти вно м спла йси нге . В это м случ а е во змо ж но и спо ль зо ва ни е р а зны х экзо но в о дно го ге на для о б р а зо ва ни я мРН К. Т.е . о ди н и то тж е ге н мо ж е тслуж и ть ма тр и це й для не ско ль ки х б е лко в. Та к, ге н Broad-Complex и гр а е т ва ж ную р о ль в р а зви ти и др о зо ф и лы , в ч а стно сти , в о суще ствле ни и пр е вр а ще ни я (ме та мо р ф о за ) и з ли ч и нки в мух у. Э то о ч е нь б о ль ш о й ге н, о н за ни ма е т о ко ло 120 тпн. В пр е де ла х ге на вы явле ны де сять экзо но в, за сч е тко мб и на ци й ко то р ы х си нте зи р уе тся 15 р а зли ч ны м мРН К. Ка ж да я и з эти х мРН К тр а нсли р уе тся в о пр е де ле нно й гр уппе кле то к, и в эти х кле тка х си нте зи р уе тся о ди н и з ва р и а нто в б е лка , в др уги х кле тка х – др уго й на б о р экзо но в и др уго й б е ло к и т.д. Та ки м о б р а зо м, о ди н-е ди нстве нны й а кти ви р ую щи й си гна л (го р мо н экди зо н) вклю ч а е тто ль ко о ди н ге н, но си нте зи р уе тся мно го р а зли ч ны х б е лко в за сч е та ль те р на ти вно го спла йси нга . Ба кте р и и , ге ны ко то р ы х не и ме ю т экзо н-и нтр о нно й стр уктур ы , ли ш е ны та ко го спо со б а р е гуляци и экспр е сси и ге но в. 2.2.3. Регуляци я акт и вност и генов на уровне т рансляци и Ре гуляци я на ур о вне тр а нсляци и встр е ч а е тся р е ж е , ч е м на ур о вне тр а нскр и пци и . В о змо ж но сть р е гуляци и на ур о вне тр а нсляци и у эука р и о то сно ва на на со х р а не ни и в ци то пла зме и зб ы то ч ны х мо ле кул мРН К в ви де и н ф о рмо со м (т.е . внутр и кле то ч ны х ч а сти ц, со де р ж а щи х мо ле кулу мРН К в ко мпле ксе с б е лка ми , за щи ща ю щи ми е е о тде йстви я нукле а з), о ткр ы ты х А.С. Спи р и ны м в 1964 г. Э ти р е зе р вны е мРН К мо гутб ы ть и спо ль зо ва ны кле тко й в случ а е во зр о сш е й по тр е б но сти о р га ни зма на со о тве тствую щи й б е ло к в пр о це ссе о нто ге не за . Д р уго й пр и ме р - р е гуляци я тр а нсляци и с по мо щь ю а нти смы сло вы х РН К (а сРН К), ко мпле ме нта р ны х “ смы сло во й” мРН К. АсРН К тр а нскр и б и р уе тся, ка к пр а ви ло , с на ч а ль но й ч а сти р е гули р уе мо го ге на (не б о ле е 200 пн), но с др уго й (а нти па р а лле ль но й) ни ти Д Н К. О на не являе тся ма тр и це й для си нте за б е лка . Ее р о ль – о б р а зо ва ть дупле кс на 5′-ко нце РН К (с ко то р о го и де ттр а нсляци я) и те м са мы м пр е до твр а ти ть е е тр а нсляци ю . П о ст т ра н сляци о н н а я мо ди ф и к а ци я си н т ези ро ва н н ы х к лет к о йбелк о в Акти вно сть мно ги х б е лко в, ко ди р уе мы х о пр е де ле нны ми ге на ми , пр и о дно й и то й ж е а ми но ки сло тно й по сле до ва те ль но сти мо ж е тб ы ть р а зно й за

59

сч е ти х по сттр а нсляци о нно й мо ди ф и ка ци и - ф о сф о р и ли р о ва ни я, а це ти ли р о ва ни я, а в р яде случ а е в р а сще пле ни е м и сх о дно й по ли пе пти дно й це пи на б о ле е ме лки е ф р а гме нты . П р и это м ме няе тся ко нф о р ма ци я б е лко во й мо ле кулы , а со о тве тстве нно и е е ф ункци и . Ш и р о ко р а спр о стр а не н та кж е ме х а ни зм р е гуляци и а кти вно сти ф е р ме нто в путе м пр и со е ди не ни я к ни м мо ле кулы – эф ф е кто р а . Ч а ще все го в р о ли эф ф е кто р о в вы ступа ю тко не ч ны е пр о дукты це пе й б и о си нте за , ко то р ы е связы ва ю тся с пе р вы м и ли о дни м и з пе р вы х ф е р ме нто в да нно го ме та б о ли ч е ско го пути и по да вляю те го а кти вно сть , вы клю ч а я те м са мы м всю це пь си нте за . П р и это м пр о и сх о ди т и нги б и р о ва ни е де йстви я ге на ко не ч ны м пр о дукто м. 2.2.4. Регуляци я клет оч ногоци кла Кле то ч ны й (ми то ти ч е ски й) ци кл – это пе р и о д суще ство ва ни я кле тки о то дно го де ле ни я до по сле дую ще го . Кле то ч ны й ци кл у б о ль ш и нства со ма ти ч е ски х кле то к вы сш и х эука р и о тпо др а зде ляю тна 4 ста ди и : 1) G1 (о т а нгл. gap – пр о ме ж уто к, пр о пуск) - пр е дси нте ти ч е ски й пе р и о д, и ли пе р и о д по дго то вки к си нте зу Д Н К, в ко то р о м ка ж да я и з го мо ло ги ч ны х х р о мо со м пр е дста вле на о дно й х р о ма ти до й (о дно й ко пи е й); 2) S – си нте ти ч е ски й пе р и о д, в ко то р ы й пр о и сх о ди тр е пли ка ци я Д Н К (си нте з се стр и нски х х р о ма ти д); 3) G2 - по стси нте ти ч е ски й пе р и о д, и ли пе р и о д по дго то вки к кле то ч но му де ле ни ю , ка ж да я х р о мо со ма пр е дста вле на двумя се стр и нски ми х р о ма ти да ми ; 4) M - кле то ч но е де ле ни е – ми то з, пр о и сх о ди т ф о р ми р о ва ни е ве р е те на де ле ни я и р а сх о ж де ни е се стр и нски х х р о ма ти д ка ж до й х р о мо со мы к по лю са м. Ф а зы G1, S и G2 вме сте со ста вляю ти нте р ф а зу(р и суно к 19). - Check-point

G2 S M G1

ди ф ф е р е нци р ов к а

G0 Ри суно к 19. Сх е ма кле то ч но го ци кла Э то о дно на пр а вле нны й пр о це сс, где кле тка по сле до ва те ль но пр о х о ди тр а зны е е го пе р и о ды , б е з и х пр о пуска и во звр а та к по сле дую щи м ста ди ям. В ступи в в кле то ч ны й ци кл, кле тка е го за ка нч и ва е тси нте зо м Д Н К и де ле ни е м кле тки . В ы де ляю т е ще G0-пе р и о д (пе р и о д по ко я), в ко то р ы й кле тки мо гутпе р е х о ди ть и з ф а зы G1. У мно го кле то ч ны х зр е лы х о р га ни з-

60

мо в б о ль ш а я ч а сть ди ф ф е р е нци р о ва нны х кле то к пе р е ста е тде ли ть ся и на х о ди тся G0-пе р и о де (“ вне ци кла ”), но пр и о пр е де ле нны х усло ви ях (на пр и ме р , по д де йстви е м спе ци ф и ч е ски х б е лко вы х ф а кто р о в) мо ж е т сно ва де ди ф ф е р е нци р о ва ть ся и вступа ть в кле то ч ны й ци кл. К а кти вно де лящи мся кле тка м взр о слы х о р га ни змо в о тно сятся кр о ве тво р ны е , б а за ль ны е кле тки эпи де р ми са и то нко й ки ш ки . О ни мо гутвх о ди ть в кле то ч ны й ци кл ка ж ды е 12-36 ч а со в. В на сто яще е вр е мя уста но вле но , ч то пр о х о ж де ни е кле тки по все м пе р и о да м кле то ч но го ци кла стр о го ге не ти ч е ски ко нтр о ли р уе тся. Н о б е ле вска я пр е ми я по ф и зи о ло ги и и ме ди ци не за 2001г. пр и суж де на тр е м уч е ны м: Л. Х а р тве ллу(СШ А), Т. Х а нтуи П . Н е р су(Англи я) за и ссле до ва ни я в и зуч е ни и р е гуляци и кле то ч но го ци кла , ко то р ы е о ни вы по лни ли на мо де ль но м о б ъе кте – др о ж ж а х . И ми б ы ли о ткр ы ты ге ны , пр о дукты ко то р ы х уч а ствую тв р е гуляци и кле то ч но го ци кла и уста но вле но , ч то клю ч е вы ми ко мпо не нта ми , во вле ч е нны ми в р е гулято р ны е со б ы ти я, являю тся б е лки ци кли ны (cyclins) и ци кли н-за ви си мы е ки на зы – пр о те и нки на зы (cdk – cyclin dependent kinases). Ц и кли н-за ви си мы е ки на зы (суще ствуе т не ско ль ко р а зно ви дно сте й б е лко в-ф е р ме нто в) пр и сутствую т в кле тке по сто янно . Н а пр и ме р , cdk28 о тве ч а е тза “ ста р т” мно ги х со б ы ти й – за пуска е тр е пли ка ци ю Д Н К, ф о р ми р о ва ни е ми то ти ч е ско го ве р е те на и др . О дна ко о ни на х о дятся в кле тке в не а кти вно м со сто яни и и не мо гут са мо сто яте ль но р е гули р о ва ть пр о х о ж де ни е кле тки по пе р и о да м кле то ч но го ци кла . Акти вно сть cdk р е гули р уе тся б е лка ми -ци кли на ми , ко то р ы е о б р а зую тко мпле кс с пр о те и нки на за ми (cyc/cdk) и на ч и на ю тф о сф о р и ли р о ва ть сво и б е лки -ми ш е ни , ч то , в сво ю о ч е р е дь , а кти ви р уе т ге ны , пр о дукты ко то р ы х не о б х о ди мы на сле дую ще й ф а зе ци кла . Ц и кли ны пр и сутствую тв кле тке не по сто янно . П р и ч е м, си нте з ка ж до го ци кли на пр о и сх о ди т в стр о го о пр е де ле нны й пе р и о д кле то ч но го ци кла . О тр а б о та в сво е , о ни б ы стр о р а зр уш а ю тся и кле тка сно ва ста но ви тся ч увстви те ль на к си гна ла м, р е гули р ую щи м де ле ни е . Та к, е сли кле тка не вы р о сла до не о б х о ди мы х р а зме р о в и о кр уж а ю ща я ср е да не являе тся о пти ма ль но й, кле тка б уде т о ста ва ть ся в G1, т.е . не б уде т си гна ла к де ле ни ю . Если не за ве р ш и ла сь р е пли ка ци я все й Д Н К, кле тка не вы р о сла до не о б х о ди мы х р а зме р о в и ф а кто р ы ср е ды вне зна ч е ни й о пти мума , кле тка не спо со б на пе р е йти к ста ди и М . П р и не пр а ви ль но й сб о р ке ве р е те на и пр и о тсутстви и по лны х связе й ми кр о тр уб о ч е к (и з ко то р ы х со сто ятни ти ве р е те на ) с ки не то х о р а ми х р о мо со м кле тка не пе р е йде ти з ме та ф а зы в а на ф а зуми то за . У др о ж ж е й ф ункци о ни р уе то ди н и то тж е cdk, но на р а зны х ста ди ях кле то ч но го ци кла о н вза и мо де йствуе т с р а зны ми ци кли на ми . У мле ко пи та ю щи х в р е а ли за ци и все го ци кла уч а ствуе т 9 р а зли ч ны х ци кли но в и 7 р а зны х cdk. У ста но вле но , ч то ци кли ны по ч ти не и зме ни ли сь в пр о це ссе эво лю ци и . О ни сх о дны удр о ж ж е й и ч е ло ве ка , т.е . о ни до ста то ч но уни ве р са ль ны . Кр о ме то го , уста но вле но , ч то в кле то ч но м ци кле е сть не ско ль ко то ч е к ко нтр о ля = то ч е к пр о ве р ки (check-points), в ко то р ы х о б е спе ч и ва е тся ко нтр о ль пр и пе р е х о де кле тки G1→S, G2→M и о тме та ф а зы к а на ф а зе ми -

61

то за . В эти х пункта х де йствую тта к на зы ва е мы е “ по ли це йски е ге ны ” (все о ни по луч и ли и мя rad, к ко то р о му до б а вляе тся по р ядко вы й но ме р , на пр и ме р , rad51), пр о дукты ко то р ы х (rad-б е лки ) о р га ни зую ттща те ль ную пр о ве р ку це ло стно сти ге не ти ч е ско го ма те р и а ла и го то вно сть к пе р е х о ду в сле дую щую ста ди ю ци кла . Если в кле тке по вр е ж де на Д Н К и си нте зи р ую тся не те б е лки , ко то р ы е до лж ны си нте зи р о ва ть ся на да нно м эта пе , в кле тку по ступа е тси гна л, б ло ки р ую щи й е е пе р е х о д в сле дую щую ф а зу. П р и о б на р уж е ни и сла б ы х де ф е кто в (“ о ш и б о к”) вклю ч а е тся си сте ма р е па р а ци и для во сста но вле ни я по вр е ж де ни й Д Н К. Если ж е по вр е ж де ни я Д Н К зна ч и те ль ны и р е па р а ци я не пр о и сх о ди т, кле тка ли б о са мо уни ч то ж а е тся с по мо щь ю пр о це сса а по пто за (ге не ти ч е ски пр о гр а мми р уе мо й сме р ти кле тки ), ли б о вступа е т да ле е в а б е р р а нтно е де ле ни е . Т.е . “ то ч ки ко нтр о ля” кле то ч но го ци кла пр е дста вляю т со б о й ме х а ни зм, ко то р ы й пр е до х р а няе т де лящи е ся кле тки о тле та ль но го ми то за . И ндукци я а по пто за являе тся ва ж не йш е й ф ункци е й ге на р 53. П р и суще стве нны х на р уш е ни ях Д Н К пр о и сх о ди т на ко пле ни е б е лка р 53, ко нце нтр а ци я ко то р о го в но р ме о ч е нь ни зка я. Э то тб е ло к являе тся о дни м и з ф а кто р о в тр а нскр и пци и , сти мули р ую щи х си нте з б е лка р 21, являю ще го ся и нги б и то р о м о б р а зо ва ни я ко мпле кса cyc/cdk, ч то пр и во ди т к о ста но вке кле то ч но го ци кла на ста ди и G1 и ли G2. Кле тки с б ло ки р о ва нны м кле то ч ны м ци кло м уни ч то ж а ю тся путе м а по пто за . П р и мута ци и ге на р 53 б ло ка ды кле то ч но го ци кла не пр о и сх о ди т. Кле тка вступа е тв ми то з, ч то пр и во ди т к по явле ни ю мута нтны х кле то к, б о ль ш а я ч а сть и з ко то р ы х не ж и зне спо со б на , др уга я – да е тна ч а ло зло ка ч е стве нны м кле тка м. Сч и та ю т, ч то эти о ткр ы ти я б удутпр и ме нять ся пр и ди а гно сти ке о пух о ле й и пр и ве дут к р а зр а б о тке но вы х спо со б о в б о р ь б ы с р а ко м, т.к. у б о ль ш и нства и зве стны х ти по в о пух о ле вы х кле то к на р уш е но р е гуляци я кле то ч но го ци кла . П р и ч е м, в ка ж до й о пух о ли по -сво е му. Та к, в о дни х кле тка х сли ш ко м мно го ци кли но в, по это муо ни де лятся б ы стр е е о б ы ч но го , у др уги х – о тклю ч е ны ге ны гр уппы rad “ по ли це йски е ге ны ”, в р е зуль та те ч е го вы х о дяти з стр о я “ то ч ки ко нтр о ля” и кле тка , и гно р и р уя на ко пи вш и е ся па то ло ги и , вступа е тв ми то з и др . Т ема3. РЕП А РА Ц И Я ДН К М ы уж е го во р и ли о то м, ч то суще ствую т 4 ф унда ме нта ль ны х пр о це сса ж и зне де яте ль но сти кле тки : репли к а ци я, т ра н ск ри пци я, т ра н сляци я и репа ра ци я. Репа ра ци я – это и спр а вле ни е са мо й кле тко й пр и уч а сти и ф е р ме нто в по вр е ж де ни й, во зни ка ю щи х в Д Н К. П р и это м пр о и сх о ди тво сста но вле ни е на ти вно й (пе р ви ч но й) стр уктур ы мо ле кулы Д Н К. Ре пли ка ци я (ко пи р о ва ни е ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и ) пр о и сх о ди т с вы со ко й то ч но сть ю . О дна ко и в Д Н К во зни ка ю т р а зли ч ны е по вр е ж де ни я пр и де йстви и на о р га ни зм ф а кто р о в вне ш не й (У Ф -о б луч е ни е , и о ни зи р ую ща я р а ди а ци я, х и ми ч е ски е мута ге ны , те мпе р а тур а и др .) и ли внутр е нне й ср е ды , спо со б ны х вы зы ва ть спо нта нны й и ли и ндуци р о ва нны й мута ге не з.

62

М ута ци и мо гли б ы во зни ка ть в пр и р о де ч а ще и пр и во ди ть к ка та стр о ф и ч е ски м по сле дстви ям для мно ги х ви до в, и в то м ч и сле для ч е ло ве ка , е сли б ы не спо со б но сть Д Н К к репа ра ци и во зн и к а ющи х по вреж ден и й. П о вр е ж де ни я Д Н К мо гути ме ть х а р а кте р и зме не ни я е е хи ми ч еск о го со ст а ва за сч е то ш и б о ч но го вклю ч е ни я пр и р е пли ка ци и не ко мпле ме нта р но го о сно ва ни я вме сто ко мпле ме нта р но го . В р е зуль та те по являю тся не ко мпле ме нта р ны е па р ы нукле о ти до в – ми смэт ч и . Э то мо ж е т пр о и зо йти , на пр и ме р , пр и : 1) а пур и ни за ци и - по те р и пур и но вы х о сно ва ни й – A и ли G, всле дстви е ч е го о б р а зуе тся “ а пур и но ва я б р е ш ь ”, на ме сто ко то р о й мо ж е т встр о и ть ся др уго е о сно ва ни е ; 2) де за ми ни р о ва ни и - т.е . о тще пле ни и а ми но гр уппы о т а зо ти сты х о сно ва ни й – G, C и ли T, ч то мо ж е т пр о и сх о ди ть спо нта нно и ли по д де йстви е м а зо ти сто й ки сло ты . П р и де за ми ни р о ва ни и ци то зи на (ко то р ы й в но р ме спа р и ва е тся с гуа ни но м) о б р а зуе тся ур а ци л (U), ко то р ы й уж е спа р и ва е тся с а де ни но м; 3) а лки ли р о ва ни и о сно ва ни й по д де йстви е м мно ги х х и ми ч е ски х мута ге но в (на пр и ме р , супе р мута ге но в – Н М М , Н Э М и др .) и ка нце р о ге но в. Та к, пр и ме ти ли р о ва ни и а зо ти сты х о сно ва ни й пр о и сх о ди ти х х и ми ч е ско е и зме не ни е и о ш и б о ч но е спа р и ва ни е с др уги ми о сно ва ни ями : ме ти ли р о ва нны й гуа ни н, на пр и ме р , б уде т спа р и ва ть ся с ти ми но м, а не с ци то зи но м. Ко р р е кти р ую щую р о ль пр и это м и гр а е тД Н К-по ли ме р а за I, уме нь ш а ю ща я ч и сло о ш и б о ч ны х спа р и ва ни й. Н о по вр е ж де ни я Д Н К мо гут б ы ть вы зва ны и и зме не ни ями е е регулярн о й ст рук т уры , т.е . к о н ф о рма ци и по д де йстви е м, на пр и ме р , уль тр а ф и о ле то во го и злуч е ни я (У Ф ), ко то р о е вы зы ва е то б р а зо ва ни е ме ж це по ч е ч ны х сш и во к Д Н К, пр е пятствую щи х р а зде ле ни ю е е це пе й, а сле до ва те ль но , и но р ма ль но муо суще ствле ни ю пр о це ссо в р е пли ка ци и и тр а нскр и пци и . У ди ви те ль на я ста б и ль но сть ге не ти ч е ско го ма те р и а ла – Д Н К связа на не с е го ко нсе р ва ти вно сть ю , а с суще ство ва ни е м в кле тка х все х ж и вы х о р га ни змо в спе ци а ль ны х си сте м р е па р а ци и , устр а няю щи х по вр е ж де ни я, во зни ка ю щи е в Д Н К. В се о ни и ме ю тф е р ме нта ти вную пр и р о ду и и спр а вляю т то ль ко о дно ни те вы е по вр е ж де ни я. П р и нци п р а б о ты эти х ме х а ни змо в о сно ва н на то м, ч то ка ж да я мо ле кула Д Н К со де р ж и т2 по лны х на б о р а ге не ти ч е ско й и нф о р ма ци и , за пи са нно й в ко мпле ме нта р ны х др уг др угу по ли нукле о ти дны х ни тях е е дво йно й спи р а ли . Э то о б е спе ч и ва е тсо х р а не ни е не и ска ж е нно й и нф о р ма ци и в о дно й ни ти , да ж е е сли др уга я по вр е ж де на , и да е тво змо ж но сть и спо ль зо ва ть не по вр е ж де нную ни ть в ка ч е стве о б р а зца (ма тр и цы ) пр и и спр а вле ни и во зни кш е го де ф е кта . Если си сте мы р е па р а ци и не спо со б ны ско р р е кти р о ва ть по вр е ж де ни я, во зни ка ю тмута ци и . Если мута ци й во зни ка е тсли ш ко м мно го и ли о ни за тр а ги ва ю тж и зне нно ва ж ны е ф ункци и , кле тка по ги б а е т. Суще ствую т р а зли ч ны е ти пы р е па р а ци и Д Н К. Н а и б о ле е по др о б но и ссле до ва на р е па р а ци я в У Ф -о б луч е нны х кле тка х . У Ф -и злуч е ни е со ста вляе тзна ч и те ль ную ч а сть со лне ч но го све та . Его и зб ы то ч ны е до зы (дли но й во лны 220-320 нм), ко то р ы е со зда ю тся за сч е т р а зр уш е ни я о зо но во го сло я в р е зуль та те х о зяйстве нно й де яте ль но сти ч е -

63

ло ве ка , мо гутвы зы ва ть о б р а зо ва ни е в мо ле куле Д Н К б а кте р и й и кле тка х ко ж но го по кр о ва ч е ло ве ка ти ми но вы х ди ме р о в, т.е . и х сш и вку за сч е то б р а зо ва ни я ко ва ле нтны х связе й ме ж ду двумя ти ми на ми , р а спо ло ж е нны ми р ядо м в о дно й и з це пе й Д Н К и ли в пр о ти во по ло ж ны х це пях Д Н К (р и суно к 20). Э то и зме няе т стр уктур у Д Н К и на р уш а е т е е б и о ло ги ч е скую а кти вно сть . Та к, ди ме р , о б р а зо ва вш и йся в о дно й це пи Д Н К, не спа р и ва е тся ни с о дни м о сно ва ни е м и пр и р е пли ка ци и Д Н К в си нте зи р уе мо й ни ти на пр о ти в ди ме р а о ста е тся б р е ш ь . П о явле ни е ди ме р о в пр и во ди тк ло ка ль но й де на тур а ци и Д Н К. Ка ж ды й ти ми но вы й ди ме р в Д Н К E. coli за де р ж и ва е тр е пли ка ци ю на 10 се к. Э ти на р уш е ни я и спр а вляю тся с по мо щь ю си сте м р е па р а ци и . Си сте мы р е па р а ци и Д Н К до ста то ч но ко нсе р ва ти вны в эво лю ци и о тб а кте р и й до ч е ло ве ка , но на и б о ле е де та ль но и зуч е ны уE.coli и др о ж ж е й. УФ -и злуче ни е

Т

Ти м и нов ы е ди м е р ы

Т а О ст ов ДН К

б

Ри суно к 20. О б р а зо ва ни е ти ми но вы х ди ме р о в пр и во зни кно ве ни и ко ва ле нтны х связе й ме ж дудвумя со се дни ми ти ми на ми в о дно й (а ) и ли пр о ти во по ло ж ны х (б ) це пях Д Н К. И зве стны тр и о сно вны х ме х а ни зма р е па р а ци и Д Н К, спо со б ны е и спр а влять е е ко нф о р ма ци о нны е на р уш е ни я: ф о то р е а кти ва ци я, эксци зи о нна я р е па р а ци я, по стр е пли ка ти вна я р е па р а ци я. Ф о то р е а кти ва ци я и эксци зи о нна я р е па р а ци я о тно сятся к до р е пли ка ти вно й, т.к. пр о и сх о дятдо р е пли ка ци и Д Н К. Э ксци зи о нна я и по стр е пли ка ти вна я р е па р а ци я, по ми мо это го , та кж е р е па р и р ую тне пр а ви ль но спа р е нны е и ли по вр е ж де нны е о сно ва ни я. 3.1. Ф от ореакт и ваци я Э то пр яма я р е па р а ци я, на и б о ле е пр о сто й путь устр а не ни я по вр е ж де ни й в Д Н К. Суть ф о то р е а кти ва ци и со сто и тв сле дую ще м: пр и де йстви и У Ф -о б луч е ни я пр о и сх о ди тсш и вка ти ми но в, р а спо ло ж е нны х р ядо м в пр о ти во по ло ж ны х це пях Д Н К (и ли р а спо ло ж е нны х р ядо м в о дно й це пи Д Н К). О со б ы й ф е р ме нт– ф о т о ли а за (ко ди р уе мы й ге но м phr) р а спо зна е тди ме р ы ти ми на и пр о ч но связы ва е тся с ни ми ср а зу по сле и х о б р а зо ва ни я. Ко мпле кс ф е р ме нта с ди ме р а ми о б р а зуе тся и о ста е тся ста б и ль ны м то ль ко в те мно те (с не по вр е ж де нно й Д Н К ф е р ме нтне связы ва е тся). П о д де йстви е м

64

эне р ги и ви ди мо го све та (дли но й во лны 300-600 нм) ф е р ме нта кти ви зи р уе тся и р а зр е за е т ди ме р на о тде ль ны е ти ми ны , во сста на вли ва я те м са мы м но р ма ль ную стр уктур у Д Н К, а сле до ва те ль но , и е е б и о ло ги ч е скую а кти вно сть . 3.2. Эксци зи онная реп араци я П р и эксци зи о нно й р е па р а ци и по вр е ж де нны е уч а стки вы р е за ю тся (эксци зи я = вы р е за ни е ) и з це пи Д Н К, а за те м о б р а зо ва вш и е ся б р е ш и за по лняю тся но во й по сле до ва те ль но сть ю по ма тр и це не по вр е ж де нно й ко мпле ме нта р но й (вто р о й) це пи . Э то т ме х а ни зм спо со б е н и спр а влять о ч е нь р а зно о б р а зны е по вр е ж де ни я Д Н К, во зни ка ю щи е спо нта нно и ли вы зва нны е де йстви е м р а зны х ф и зи ч е ски х и х и ми ч е ски х мута ге но в (не пр а ви ль но спа р е нны е и ли по вр е ж де нны е о сно ва ни я, о б р а зо ва вш и е ся ти ми но вы е ди ме р ы , о дно ни те вы е р а зр ы вы и др .). Э ксци зи о нна я р е па р а ци я – мно го ступе нч а ты й пр о це сс, пр о те ка ю щи й пр и уч а сти и не ско ль ки х ф е р ме нто в (в о тли ч и е о тф о то р е а кти ва ци и ) и вклю ч а ю щи й сле дую щи е эта пы (р и суно к 21): 1) узна ва ни е по вр е ж де нно го уч а стка це пи Д Н К (на пр и ме р , ти ми но во го ди ме р а – T=T). М о ле кулы ф е р ме нта – эндо нукле а зы (в ч а стно сти , У Ф -нукле а за ) “ о б сле дую т” мо ле кулы Д Н К и “узна ю т” по вр е ж де ни я; 2) на др е за ни е , и ли и н ци зи я по вр е ж де нно й це пи Д Н К (с 5′-ко нца о т по вр е ж де ни я) те м ж е ф е р ме нто м. В р е зуль та те это го пр о и сх о ди т р а зр ы в ф о сф о ди эф и р ны х связе й; 1)

2)

AA T=T

AA

3)

AA

T=T

5' эндонук ле аза 5)

3'

5'

3'

б р е шь

эк зонук ле аза

AA TT

ДН К -ли г аза

4)

AA TT

ДН К -поли м е р аза I

Ри суно к 21. Сх е ма эксци зи о нно й р е па р а ци и (по ясне ни я в те ксте ) 3) вы р е за ни е (уда ле ни е ), и ли эк сци зи я по вр е ж де нно го уч а стка с 3′ го ко нца с по мо щь ю экзо нукле а зы ; 4) си нте з но во й по сле до ва те ль но сти , за ме ща ю ще й вы р е за нную (т.е . за по лне ни е б р е ш и с по мо щь ю не по вр е ж де нно го = и нта ктно го уч а стка пр о ти во по ло ж но й це пи Д Н К). О б ы ч но за стр а и ва ю тся ко р о тки е уч а стки дли но й до 30 нукле о ти до в пр и уч а сти и Д Н К-по ли ме р а зы I; 5) во сста но вле ни е не пр е р ы вно сти р е па р и р уе мо й це пи с по мо щь ю Д Н К-ли га зы путе м ко ва ле нтно го связы ва ни я 3′-ко нца вно вь си нте зи р о ва нно го уч а стка мо ле кулы Д Н К с ко нцо м о сно вно й по ли нукле о ти дно й це пи .

65

У да ле ни е ти ми но вы х ди ме р о в и з мо ле кулы Д Н К со пр о во ж да е тся е е вне пла но вы м си нте зо м, ко то р ы й пр о и сх о ди т по р е па р а ти вно му ти пу вне S-ф а зы кле то ч но го ци кла , а на ло ги ч но го си нте зув па х и те не ме йо за . Ра зли ч ны е ва р и а нты эксци зи о нно й р е па р а ци и ш и р о ко р а спр о стр а не ны у пр о - и эука р и о ти ч е ски х о р га ни змо в. О на о б на р уж е на у пр о сте йш и х , в куль тур е кле то к мле ко пи та ю щи х . За по сле дни е 10 ле тмно ги е ге ны , уч а ствую щи е в эксци зи о нно й р е па р а ци и у эука р и о т, и зо ли р о ва ны (и з по ч кую щи х ся др о ж ж е й, кле то к мле ко пи та ю щи х - пр е и муще стве нно гр ы зуно в и ч е ло ве ка ), кло ни р о ва ны и и зуч е ны . Бы ло по ка за но вы со ко е стр уктур но е и ф ункци о на ль но е по сто янство эти х ге но в у сто ль р а зны х о р га ни змо в и сде ла н вы во д о то м, ч то ме х а ни зм эксци зи о нно й р е па р а ци и сх о де н (е сли не и де нти ч е н) у все х ви до в о р га ни змо в. 3.3. П ост реп ли кат и вная реп араци я (П РР) Э то спо со б б ы стр о го во сста но вле ни я но р ма ль но й (на ти вно й) стр уктур ы ч а сти и ли все х до ч е р ни х мо ле кул Д Н К. В о сста но вле ни е по вр е ж де ни й пр о и сх о ди тпо сле си нте за Д Н К. Если до на ч а ла р е пли ка ци и Д Н К и з не е не б ы ли устр а не ны все де ф е кты , то о дна и з ни те й ма те р и нско й мо ле кулы б уде тне сти по вр е ж де ни е (ди ме р ы ти ми на ), а ко мпле ме нта р на я е й ни ть б уде тсво б о дна о тпо вр е ж де ни й. Н а по вр е ж де нно й ни ти р е пли ка ци я за ве р ш и тся те м, ч то на пр о ти в ди ме р а ти ми на в за но во си нте зи р о ва нно й ни ти о ка ж е тся б р е ш ь , в то вр е мя ка к се стр и нска я дво йна я спи р а ль не б уде тне сти по вр е ж де ни я. Э та б р е ш ь мо ж е тб ы ть за стр о е на ф р а гме нта ми , взяты ми о т не по вр е ж де нно й мо ле кулы Д Н К в р е зуль та те рек о мби н а ци и , т.е о б ме на (по это му эту р е па р а ци ю на зы ва ю те ще р е ко мб и на ци о нно й), а пр о б е лы в р о ди те ль ски х це пях – путе м р е па р а ти вно го си нте за , о суще ствляе мо го Д Н К-по ли ме р а зо й I и ли III. Если не тэти х ф е р ме нто в, то си нте з и де тпо д де йстви е м Д Н К-по ли ме р а зы II. В кле тка х пр о це сс П РР ко нтр о ли р уе тся по кр а йне й ме р е 17 ге на ми . П РР вклю ч а е тсле дую щи е эта пы (р и суно к 22): 1) мо ле кулы б е лка RecA пр и со е ди няю тся к зо не б р е ш и ; 2) по д ко нтр о ле м б е лко в RecA пр о и сх о ди тр е ко мб и на ци я – уч а сто к ко мпле ме нта р но й це пи се стр и нско й ни ти (сво б о дны й о т де ф е кто в) пе р е но си тся в р а йо н б р е ш и . Д ля это го с по мо щь ю б е лка RecA и з ко мпле ме нта р но й це пи вы р е за е тся уч а сто к Д Н К, р а вны й по дли не уч а стку б р е ш и , и встр а и ва е тся в б р е ш ь на пр о ти в ди ме р а ти ми на . Ф е р ме нтли га за со е ди няе т ко нцы вста вле нно го ф р а гме нта с ко нца ми но р ма ль но си нте зи р о ва нно го уч а стка до ч е р не й ни ти ; 3) Ре па р а ти вны й си нте з: б р е ш ь , о ста вш а яся по сле вы р е за ни я уч а стка и з ма те р и нско й ни ти , за стр а и ва е тся Д Н К-по ли ме р а зо й I и ко нцы со е ди няю тся ли га зо й. Э та си сте ма за щи ты Д Н К сво йстве нна все м кле тка м – о тб а кте р и и до кле то к вы сш и х р а сте ни й, ж и во тны х и ч е ло ве ка .

66 3' 3' 5'

AA T=T

5' р е пли к аци я 5' 3' 3' 5'

ди м е р т и м и на

AA TT б р е шь

T=T

5' 3'

1) RecA-б е лк и

T=T р е к ом б и наци я 3)

AA TT AA T=T

2) р е пар ат и в ны й си нт е з с участ и е м ДН К -поли м е р азы I и ли г азы

TT AA T=T

Ри суно к 22. Сх е ма по стр е пли ка ти вно й р е па р а ци и Д Н К (по ясне ни я в те ксте ) 3.4. SOS-реп араци я Ра зно ви дно сть ю по стр е пли ка ти вно й р е па р а ци и являе тся SOSрепа ра ци я. О на пр о те ка е тме дле нно (по это му е е е ще на зы ва ю тме дле нна я по стр е пли ка ти вна я р е па р а ци я), для е е о суще ствле ни я тр е б уе тся не ско ль ко ч а со в и во сста но вле ни е пе р ви ч но й стр уктур ы пр о и сх о ди тне то ч но . Э то репа ра ци я, “ ск ло н н а я к о ш и бк а м”, та к ка к для не е х а р а кте р на о тно си те ль но вы со ка я ч а сто та о ш и б о к, во зни ка ю щи х пр и во сста но вле ни и пе р ви ч но й стр уктур ы Д Н К. В стр е ч а е тся в кле тка х с б о ль ш и м ч и сло м мута ци й. Э та си сте ма вклю ч а е тся то гда , ко гда по вр е ж де ни й в Д Н К ста но ви тся на сто ль ко мно го , ч то ж и знь кле тки по ста вле на по д угр о зу. В это м случ а е кле тка мо б и ли зуе т до по лни те ль ны е р е сур сы и спа са е тсво ю ж и знь путе м о ш и б о к. Ср е ди вы ж и вш и х кле то к по вы ш а е тся ур о ве нь мути р о ва ни я. Си гна ло м для SOS-р е па р а ци и являю тся по вр е ж де ни я Д Н К, вы зва нны е У Ф -о б луч е ни е м (та к, для E. coli до ста то ч но не ме не е 30-60 не вы р е за нны х ди ме р о в в ге но ме ) и др уги ми ф а кто р а ми . В это м случ а е пр о и сх о ди ти ндукци я а кти вно сти р а зно о б р а зно й гр уппы ге но в, за де йство ва нны х в р а зли ч ны х кле то ч ны х пр о це сса х , со пр яж е нны х с р е па р а ци е й Д Н К. SOS-р е па р а ци ю о суще ствляю т ф е р ме нты , и ндуци р о ва нны е о б луч е ни е м, ко то р ы е о тсутствую т в не о б луч е нны х кле тка х . Гла вны ми уч а стни ка ми SOS–р е па р а ци и у E. coli являю тся б е лки , ко ди р уе мы е ге на ми recA и lexA. П е р вы й и з ни х пр е дста вляе тсо б о й по ли ф ункци о на ль ны й б е ло к recA, уч а ствую щи й в по стр е пли ка ти вно й р е па р а ци и , р е ко мб и на ци и Д Н К, в р е гуляци и тр а нскр и пци и ф а га λ, по р а ж а ю ще го E. coli. Бе ло к lexA являе тся

67

р е пр е ссо р о м (р е пр е сси р уе т=вы клю ч а е тге н) тр а нскр и пци и б о ль ш о й гр уппы ге но в, пр е дна зна ч е нны х для р е па р а ци и Д Н К б а кте р и й (в то м ч и сле ге на recA). В и нта ктно й кле тке б е ло к recA о б е спе ч и ва е тр е ко мб и на ци ю , но е го не до ста то ч но для и ндукци и SOS-ф ункци и . В не по вр е ж де нно й кле тке во змо ж но сть и зб ы то ч но й пр о дукци и б е лка recA по да вле на (р е пр е сси р о ва на ) б е лко м lexA. П о вр е ж де ни я Д Н К а кти ви р ую тrecA – б е ло к, ко то р ы й связы ва е тся с lexA- р е пр е ссо р о м и р а сще пляе т(и на кти ви р уе т) е го . Э то пр и во ди т к а кти ва ци и ге но в SOS-си сте мы , р е пр е ссо р ы ко то р ы х то ж е р а сще пляю тся б е лко м recA. П р и это м и ндуци р уе тся си нте з б е лко в, ко то р ы е пр и со е ди няю тся к Д Н К-по ли ме р а зно му ко мпле ксу и де ла ю т во змо ж ны м стр о и ть до ч е р ню ю Д Н К на пр о ти в де ф е ктны х зве нь е в ма тр и ч но й це пи , по дста вляя лю б ы е случ а йны е нукле о ти ды , ли ш ь б ы пр о йти эти уч а стки . В р е зуль та те SOS-р е па р а ци и кле тка спа са е тся на да нно м эта пе : е е Д Н К о ка зы ва е тся удво е нно й, х о тя и с о ш и б ка ми , и те пе р ь мо ж е тпр о и зо йти кле то ч но е де ле ни е . Н о е сли ж и зне нно ва ж ны е ф ункци и все -та ки б е зна де ж но и спо р ч е ны , та ка я кле тка по зж е все р а вно по ги б не т. SOS-си сте ма р е па р а ци и вы явле на не то ль ко уб а кте р и й, но и уж и во тны х и ч е ло ве ка . Ре а кци я кле тки на по вр е ж де ни е вклю ч а е т та кж е за медлен и е про хо ж ден и я к лет о ч н о го ци к ла и а к т и ва ци ю си н т еза специ ф и ч еск и х белк о в. Ге не ти ч е скую де те р ми ни р о ва нно сть та ко го за ме дле ни я пр о х о ж де ни я кле то ч но го ци кла впе р вы е пр о де мо нстр и р о ва ли на др о ж ж а х в 1988 г. В е йне р т и Х а р тве лл, на зва в та ко е явле ни е checkpoint –ко нтр о ле м и ли то ч ка ми пр о ве р ки кле то ч но го ци кла . Бе лки – пр о дукты checkpoint – ге но в ска ни р ую т це ло стно сть Д Н К и о б е спе ч и ва ю тза де р ж ку кле то ч но го де ле ни я в случ а е по вр е ж де ни я мо ле кулы Д Н К. П р и это м ф е р ме нты мо гута кти ви р о ва ть р е па р а ци о нны е пр о це ссы и ли , в случ а е не о б р а ти мы х по вр е ж де ни й Д Н К, вклю ч а ть а по пт о з, т.е . за пр о гр а мми р о ва нную сме р ть кле тки . К б е лка м – пр о дукта м checkpoint – ге но в о тно си тся, в ч а стно сти , б е ло к р 53 – супр е ссо р о пух о ле й. 3.5. Реп араци я несп аренны х основани й (ми смэт ч -си ст ема реп араци и ) О ш и б ки спа р и ва ни я а зо ти сты х о сно ва ни й во вр е мя р е пли ка ци и Д Н К пр о и сх о дят до ста то ч но ч а сто (у б а кте р и й о ди н р а з на 10 ты с. нукле о ти до в), в р е зуль та те ко то р ы х в до ч е р ню ю це пь Д Н К вклю ч а ю тся нукле о ти ды , не ко мпле ме нта р ны е нукле о ти да м ма те р и нско й це пи - ми смэт ч и (о т а нгл. mismatch – не со о тве тстви е ). Н е смо тр я на то ч то Д Н К-по ли ме р а за I пр о ка р и о то б ла да е тспо со б но сть ю к са мо ко р р е кци и , е й не все гда уда е тся устр а ни ть не ко мпле ме нта р ны е па р ы . В это м случ а е р е па р а ци я пр о и сх о ди т с и спо ль зо ва ни е м си сте мы , связа нно й с ме ти ли р о ва ни е м Д Н К. Суть е е за клю ч а е тся в то м, ч то вско р е по сле о ко нч а ни я р е пли ка ци и (ч е р е з не ско ль ко ми нут) спе ци а ль ны е ф е р ме нты – ме ти ла зы пр и со е ди няю т ме ти ль ны е гр уппы к а де ни на м в по сле до ва те ль но стях GATC с о б р а зо ва ни е м N6ме ти л-а де ни на (N6 - mA). П о это му во вр е мя сле дую ще го р а унда р е пли ка -

68

ци и ни ти Д Н К о ка зы ва ю тся р а зли ч ны ми : ма те р и нска я ни ть Д Н К (ко то р а я о ста е тся не и зме нно й) не се тме ти ли р о ва нны е а де ни ны , а в до ч е р не й и х мо ди ф и ка ци я на ч не тся то ль ко по о ко нч а ни и р е пли ка ци и . П о ка о ни о ста ю тся не ме ти ли р о ва нны ми , кле тка до лж на успе ть о тр е па р и р о ва ть ми смэтч и в до ч е р не й ни ти . В р е па р а ци и пр и ни ма е т уч а сти е це лы й ко мпле кс ф е р ме нто в, ко то р ы й: ска ни р уе т по ве р х но сть мо ле кулы Д Н К (узна ва я по сле до ва те ль но сть G-N6-mA-T-C и сле дую щую за не й де ф о р ма ци ю в дво йно й спи р а ли в ме ста х о тсутстви я ко мпле ме нта р но сти ), вы р е за е т уч а сто к не ме ти ли р о ва нно й до ч е р не й це пи , вклю ч а я ми смэтч (и нте р ва л ме ж ду уч а стка ми GATC), в р е зуль та те ч е го о б р а зуе тся б р е ш ь и но гда о ч е нь б о ль ш о й пр о тяж е нно сть ю – не ско ль ко ты с.п.н.), а за те м со зда е тусло ви я для за стр а и ва ни я е го ко мпле ме нта р ны ми нукле о ти да ми (по ма тр и це ма те р и нско й це пи ) и во ссо е ди не ни я о дно ни те вы х р а зр ы во в. Ра зли ч ны е ко мпо не нты это го ко мпле кса о б ла да ю т р а зли ч ны ми а кти вно стями (нукле а зно й, х е ли ка зно й, АТРа зно й), не о б х о ди мы ми для вне се ни я р а зр ы во в в Д Н К и вы ще пле ни я нукле о ти до в, р а спле та ни я дво йно й спи р а ли Д Н К и эне р ге ти ч е ско го о б е спе ч е ни я дви ж е ни я ко мпле кса вдо ль р е па р и р уе мо й ч а сти мо ле кулы (р и суно к 23). Та к, у E. coli в пр о це сс и ни ци а ци и ми смэтч -р е па р а ци и во вле ч е ны пр о дукты ч е ты р е х ге но в: mutS (б е ло к mutS р а спо зна е туч а сто к ми смэтч а ), mutL, mutH (пр о дуктге на о б ла да е т эндо нукле а зно й а кти вно сть ю ) и mutU (ко ди р ую щи й ге ли ка зуII). ДН К

6

N -м е т и ли р ов анны й аде ни н

м

м

м

м

Ст р ук т ур а, узнав ае м ая ф е р м е нт ам и р е пар аци и

р е пли к аци я м

доче р ни е це пи

м G

T м и см эт ч

м

м

Эт апы р е пар аци и м б р е шь р е пар ат и в ны й (м и см эт ч си нт е з Т А удаляе т ся) м

м Т

C-G T-A-CH3 (N6-mA) A-T G-C

м

Ри суно к 23. Сх е ма ми смэтч - р е па р а ци и , связа нно й с ме ти ли р о ва ни е м Д Н К (по ясне ни я в те ксте )

69

Д а нны й пр о це сс р е па р а ци и о б на р уж е н у б а кте р и й, др о ж ж е й, в кле тка х ч е ло ве ка и не ко то р ы х др уги х о р га ни змо в. Н е смо тр я на б о ль ш о е р а зно о б р а зи е си сте м р е па р а ци и , в це ло м, пр о це сс р е па р а ци и мо ж но о х а р а кте р и зо ва ть двумя о сно вны ми по ка за те лями : эф ф е кти вно сть ю и то ч но сть ю . То ч но сть ва ж на для ко нкр е тно го и нди ви да , и б о в пр о ти вно м случ а е у не го р а зо вь е тся за б о ле ва ни е . В х о де эво лю ци и ж е пр е дпо ч те ни е о тда е тся эф ф е кти вно сти . П о ли ва р и а нтно сть пр о це сса р е па р а ци и эво лю ци о нно вы го дна по то му, ч то о р га ни зм, по па вш и й в экстр е ма ль ны е усло ви я, и по то мство сво е о ста вляе т в эти х усло ви ях . Сле до ва те ль но , е сли за сч е т SOS-р е па р а ци и , вклю ч е нно й эти ми усло ви ями , во зни кнут до по лни те ль ны е мута нты , о ни мо гут о ка за ть ся б о ле е пр и спо со б ле нны ми к та ки м усло ви ям, вы ж и ть и уве ли ч и ть ве р о ятно сть со х р а не ни я ви да . 3.6. Наследст венны е болезни ч еловека, связанны е с дефект ами си ст ем реп араци и ДНК С на р уш е ни е м си сте м р е па р а ци и у ч е ло ве ка связа н р яд се р ь е зны х на сле дстве нны х за б о ле ва ни й. П р и ве де м не ко то р ы е пр и ме р ы . П и гмет н а я к серо дерма . В стр е ч а е тся в ср е дне м с ч а сто то й – 1 случ а й на 100000 но во р о ж де нны х (1:100000), ка к пр а ви ло , в р о дстве нны х б р а ка х . В пе р вы е (1968 г.) Д ж . Кли ве р вы яви л, ч то пр и ч и но й это й ко ва р но й и не и зле ч и мо й б о ле зни являю тся де ф е кты р а зны х р е па р и р ую щи х си сте м. П и гме нтна я ксе р о де р ма – это гр уппа б о ле зне й, связа нны х с мута ци ями ге но в (та к на зы ва е мы е ва р и а нты Х Р-ге но в), о б усло вли ва ю щи х де ф е кты эксци зи о нно й р е па р а ци и (на р уш е ни е вы р е за ни я нукле о ти до в, за стр о йка “ б р е ш е й” и др .). Н е ско ль ко ф о р м это й б о ле зни : XPI, XPII, XPvar и ме ю т о б щи й си мпто м: по вы ш е нную ч увстви те ль но сть к со лне ч ны м луч а м, а то ч не е – к е го У Ф -ч а сти , то й ч а сти спе ктр а , о т де йстви я ко то р о й у но р ма ль ны х лю де й пр о и сх о ди тза га р . П р и пе р е до зи р о вке со лне ч но го све та у все х лю де й мо гутб ы ть о ж о ги в р е зуль та те де йстви я не ви ди мы х У Ф -луч е й. Н о пр и по сте пе нно м за го р а ни и о б р а зуе тся но р ма ль ны й за га р . У б о ль ны х ж е пи гме нтно й ксе р о де р мо й да ж е по сле не пр о до лж и те ль но го пр е б ы ва ни я на со лнце о б р а зую тся си ль ны е о ж о ги (кр а сны е пятна ), а за те м до лго не за ж и ва ю щи е р а ны , пр и во дящи е к р а зви ти ю зло ка ч е стве нно й о пух о ли ко ж и (р а ку ко ж и ). П р и ч е м, ч а сто та за б о ле ва ни я р а ко м уве ли ч и ва е тся с во зр а сто м, ве р о ятно , за сч е тна ко пле ни й по вр е ж де ни й в Д Н К, связа нны х с на р уш е ни ями в си сте ме р е па р а ци и . Ги пе р ч увстви те ль но сть к У Ф о б луч е ни ю являе тся сле дстви е м де ф е кто в р е па р и р ую щи х Д Н К ф е р ме нто в. У б о ль ны х ф о р мо й XPI – де ф е кт эксци зи о нно й р е па р а ци и связа н с о тсутстви е м а кти вно сти У Ф -эндо нукле а зы . В куль тур е кле то к здо р о вы х лю де й по сле о б луч е ни я У Ф в до зе 10 Д ж /м2 ч е р е з 20 ч а с и з Д Н К и сч е за е тдо 90% ти ми но вы х ди ме р о в, в то вр е мя ка к в кле тка х б о ль ны х ди ме р ы во о б ще не уда ляю тся и з Д Н К. Бо ль ны е XPII - ф о р мо й не спо со б ны р е па р и р о ва ть о дно ни те вы е р а зр ы вы Д Н К в связи с о тсутстви е м у ни х ф е р ме нта Д Н К-

70

по ли ме р а зы I. У б о ль ны х Xpvar вы ще пле ни е ди ме р о в и де тно р ма ль но , но на р уш е н эта п по стр е пли ка ти вно й р е па р а ци и . М е х а ни зм по стр е пли ка ти вно й р е па р а ци и на и ме не е спе ци ф и ч е н, т.к. пр и это м о тсутствуе тэта п узна ва ни я по вр е ж де ни й. Ан еми я Ф а н к о н и – на сле дстве нно е за б о ле ва ни е ч е ло ве ка (Н ЗЧ ), связа нно е с де ф е кта ми р е па р а ци и по вр е ж де ни й о т х и ми ч е ски х мута ге но в и ка нце р о ге но в (но не У Ф -све та ), о б усло вле нны ми де ф е кта ми эндо нукле а з, по ни ж е нно й спо со б но сть ю кле то к б о ль но го к а по пто зу по сле во зде йстви я и о ни зи р ую ще го и злуч е ни я. О тме ч а е тся двух кр а тно е по ср а вне ни ю со здо р о вы ми лю дь ми удли не ни е G2-ф а зы кле то ч но го ци кла . Х а р а кте р и зуе тся угне те ни е м кр о ве тво р ны х ф ункци й ко стно го мо зга (по ни ж е нны м ко ли ч е ство м все х кле то ч ны х эле ме нто в кр о ви ), а та кж е мно го ч и сле нны ми на р уш е ни ями р о ста и р а зви ти я. П о ка за на по вы ш е нна я ч а сто та но во о б р а зо ва ни й уб о ль ны х и и х кр о вны х р о дстве нни ко в. Ат а к си я-т ела н ги эк т а зи я= си н дро м Л уи -Ба р. Я вляе тся пр о гр е сси вны м не вр о ло ги ч е ски м за б о ле ва ни е м с ч а сто то й р о ж да е мо сти 1:40000 но во р о ж де нны х . Кла сси ф и ци р уе тся ка к “ си ндр о м х р о мо со мны х р а зр ы во в” и з-за по вы ш е нно й ч увстви те ль но сти к по вр е ж да ю щи м Д Н К а ге нта м и ка нце р о ге на м, ч то о б усло вле но на р уш е ни е м пр о це ссо в р е па р а ци и Д Н К (пр е и муще стве нно с де ф е кта ми р е па р а ти вно го си нте за , на р уш е ни е м кле то ч но го ци кла ). Гла вны ми не вр о ло ги ч е ски ми пр и зна ка ми , пр о являю щи ми ся с са мо го р а нне го де тства , являе тся пр о гр е сси р ую ща я а та кси я (на р уш е ни е ко о р ди на ци и дви ж е ни я – б о ль ны е не р е дко не мо гутса мо сто яте ль но пе р е дви га ть ся и пр и вяза ны к и нва ли дно й ко ляске ), те ла нги экта зи и (па то ло ги ч е ско е р а сш и р е ни е кр о ве но сны х со судо в) на ко ж е и ко нъю нкти ва х гла з, умстве нна я и и ммунна я не до ста то ч но сть (р е зко сни ж е но со де р ж а ни е и ммуно гло б ули на А), р а сстр о йства ми р е ч и и др . С де ф е кта ми ми смэтч -р е па р а ци и связа на на сле дстве нна я пр е др а спо ло ж е нно сть к р а купр ямо й ки ш ки - 1:200 ч е ло ве к, т.е . это о дна и з на и б о ле е ч а сто встр е ч а ю щи х ся на сле дстве нны х пр е др а спо ло ж е нно сте й к р а ку. Н а р уш е ни я в си сте ме р е па р а ци и мо гут пр и во ди ть к пр е ж де вр е ме нно му ста р е ни ю . П ро гери и – гр уппа б о ле зне й, для ко то р ы х х а р а кте р но уско р е нно е (пр е ж де вр е ме нно е ) ста р е ни е . И зве стны две е е ф о р мы , о пр е де ляе мы е по на ч а лу пр о це сса ста р е ни я – до и ли по сле пе р и о да по ло во го со зр е ва ни я. С и н дро м Х а т ч и н со н а -Ги лф о рда = про гери я дет ей. Э то кр а йне р е дко встр е ч а ю ще е ся за б о ле ва ни е (1 на 4-8 млн но во р о ж де нны х ), и з-за ч е го до си х по р не и зве сте н ти п е го на сле до ва ни я. П р и зна ки ста р е ни я пр о являю тся с са мо го р о ж де ни я, а к 4-5 го да м – глуб о ки е ста р и ки . П р о до лж и те ль но сть ж и зни ср е ди о пи са нны х случ а е в – о т7 до 27 ле т. Ср е дни й во зр а стна ступле ни я сме р ти – 12 ле т. Бо ль ны е и ме ю тма ле нь ки й р о стпр и о тно си те ль но б о ль ш о й го ло ве , уни х на б лю да е тся скле р о з со судо в, ста р ч е ска я мо р щи ни сто сть ко ж и , ка та р а кты . Бо ль ны е о тста ю т в р а зви ти и о со б е нно ф и зи ч е ско м, б е спло дны . П р и и ссле до ва ни и р е па р а ци и Д Н К в кле тка х эти х б о ль ны х о б на р уж е на и х не спо со б но сть и зб а влять ся о тД Н К-б е лко вы х сш и во к,

71

вы зы ва е мы х х и ми ч е ски ми а ге нта ми . Гла вна я ди а гно сти ч е ска я о со б е нно сть кле то к б о ль но го – р е зко е сни ж е ни е по ср а вне ни ю с но р мо й ч и сла Х е йф ли ка (пр о ли ф е р а ти вно й спо со б но сти кле то к in vitro). Д ли на те ло ме р ны х по сле до ва те ль но сте й у б о ль ны х та кж е о ка за ла сь зна ч и те ль но сни ж е нно й по ср а вне ни ю со здо р о вы ми до но р а ми (те ло ме р ы б о ль ны х уко р а ч и ва ю тся пр и ме р но в 3 р а за б ы стр е е , ч е м у здо р о вы х ), пр и ч е м для ни х х а р а кте р но вр о ж де нно е уко р о ч е ни е те ло ме р . П ро гери я взро слы х= си н дро м Верн ера х а р а кте р и зуе тся те м, ч то пр и зна ки ста р о сти пр о являю тся с пе р и о да по ло во го со зр е ва ни я: р е зко се де ю т, те р яю т во ло сы , по являю тся р а нни е мо р щи ны , “ ста р ч е ски й го ло с”. У ско р е нно е ста р е ни е на ч и на е тся с 20 ле ти р а нь ш е и а кти вно р а зви ва е тся до 40 ле т. Со пр о во ж да ю тся ш и р о ки м спе ктр о м па то ло ги и , о б ы ч но связы ва е мо й с во зр а стны ми и зме не ни ями – а те р о скле р о з, ди а б е т, ка та р а кта , р а зли ч ны е ти пы до б р о ка ч е стве нно й и зло ка ч е стве нно й о пух о ли . Ср е дни й во зр а ст сме р ти – 47 ле т. Бо ль ны е мо гути ме ть по то мство . У взр о слы х пр о ге р и я мо ж е т б ы ть сле дстви е м ка ко й-ли б о б о ле зни , пси х и ч е ско го и ли ф и зи ч е ско го не до р а зви ти я, мо ж е т во зни кнуть пр и не до ста то ч но м пи та ни и и и знур и те ль но м тр уде , ка к это о тме ч а ло сь у ли ц, за клю ч е нны х в ко нцла ге р ях . В да нно м случ а е это ф е но ко пи и мута ци й ге но в, о тве тстве нны х за р а б о туси сте м р е па р а ци и . Кле тки б о ль ны х пр о ге р и е й являю тся се йч а с о дно й и з о сно вны х кле то ч ны х мо де ле й in vitro для и зуч е ни я пр и ч и н и мо ле куляр ны х ме х а ни змо в ста р е ни я. Бо ль ш и м успе х о м мо ле куляр но -ге не ти ч е ско го по дх о да к пр о б ле ме ста р е ни я мо ж но сч и та ть о ткр ы ти е и вы ясне ни е кле то ч но й ф ункци и ге на си ндр о ма В е р не р а (WRN), ло ка ли зо ва нно го на ко р о тко м пле ч е х р о мо со мы 8. Ге н WRN ко ди р уе тяде р ны й б е ло к, го мо ло ги ч ны й р а зли ч ны м ге ли ка за м (RecQ, BLM, SGS1), уч а ствую щи м в пр о це сса х р е па р а ци и и р е пли ка ци и Д Н К. У ста но вле но , ч то р о ль WRN ге ли ка зы со сто и тв по дде р ж а ни и ге но мно й ста б и ль но сти , кр о ме то го , о на уч а ствуе т в а по пто зе . М ута ци и это го “ ге на ста р е ни я” пр и во дят к на р уш е ни ю пр о це ссо в р е пли ка ци и и р е па р а ци и Д Н К. И ссле до ва ни е ф и б р о б ла сто в б о ль ны х си ндр о мо м В е р не р а по ка за ло уме нь ш е ни е по те нци а ла де ле ни й в куль тур е кле то к и 10-кр а тно е уве ли ч е ни е те мпа спо нта нны х мута ци й, а та кж е б ы стр о е сни ж е ни е те ло ме р но й дли ны . В ли мф о ци та х б о ль ны х уве ли ч е на ч а сто та тр а нсло ка ци й. Э то сви де те ль ствуе т о сни ж е ни и эф ф е кти вно сти ме х а ни змо в Д Н К-р е па р а ци и . Ка к о ка за ло сь , го мо ло г ге на WRN др о ж ж е й SGS1, та кж е уч а ствуе тв кле то ч но м ста р е ни и . П р е дпо ла га е тся, ч то в о сно ве пр о це сса кле то ч но го ста р е ни я ле ж и т во зр а стна я р е о р га ни за ци я ге но ма , вы зва нна я уко р о ч е ни е м те ло ме р , а кти ва ци е й мо б и ль ны х ге не ти ч е ски х эле ме нто в и де ф е кта ми си сте м р е па р а ци и Д Н К. П о до б на я ге не ти ч е ска я не ста б и ль но сть со ма ти ч е ски х кле то к пр е дпо ла га е т глуб о ко е вли яни е на ге нную экспр е сси ю , пр и во дя к р а зли ч ны м ге не ти ч е ски м и эпи ге не ти ч е ски м и зме не ни ям и о б усло вли ва я де ге не р а ци ю

72

и а тр о ф и ю кле то к и тка не й. Э то , в сво ю о ч е р е дь , являе тся пр и ч и но й ста р е ни я о р га ни зма в це ло м.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

О СН О В Н АЯ ЛИ ТЕРАТУ РА Ге но м, кло ни р о ва ни е , пр о и сх о ж де ни е ч е ло ве ка / Л.И . Ко р о ч ки н [и др .].Ф р язи но : В е к 2. - 2004. - 224с. Гли к Б. М о ле куляр на я б и о те х но ло ги я: П р и нци пы и пр и ме не ни е . / Б. Гли к, Д ж . П а сте р на к. - М . : М и р , 2002. - 589с. Ж и муле в И .Ф . О б ща я и мо ле куляр на я ге не ти ка / И .Ф . Ж и муле в. Н о во си б и р ск : И зд-во Н о во си б . ун-та , 2002. - 458 с. И нге -В е ч то мо в С.Г. Ге не ти ка с о сно ва ми се ле кци и / С.Г. И нге В е ч то мо в. - М . : В ы сш а я ш ко ла , 1989. - 592с. Ры б ч и н В .Н . О сно вы ге не ти ч е ско й и нж е не р и и / В .Н . Ры б ч и н. – СП б .: И зд-во СП б ГТУ , 1999. - 521с. Си нге р М . Ге ны и ге но мы / М . Си нге р , П . Бе р г. - М . : М и р , 1998. Т.1 373 с.; т.2 – 391 с.

Д О П О ЛН И ТЕЛЬ Н АЯ ЛИ ТЕРАТУ РА 1. Айа ла Ф . Со вр е ме нна я ге не ти ка / Ф . Айа ла , Д ж . Ка йге р . - М . : М и р , 1987, то м 1 - 295с.; М . : М и р , 1988, то ма 2 и 3. 2. Али х а нян С.И . О б ща я ге не ти ка / С.И . Али х а нян, А.П . Аки ф ь е в, Л.С. Ч е р ни н. - М . : В ы сш а я ш ко ла , 1985. - 446с. 3. Бо гда но в А.А. Те ло ме р ы и те ло ме р а за / А.А. Бо гда но в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1998. - № 12. - С. 12 - 18. 4. Бо р и нска я С.А. Стр уктур а пр о ка р и о ти ч е ски х ге но мо в / С.А. Бо р и нска я, Н .К. Я нко вски й. - М о ле куляр на я б и о ло ги я, 1999. - Т.33, № 6. - С. 941957. 5. Бо ч ко в Н .П . Кли ни ч е ска я ге не ти ка / Н .П . Бо ч ко в.- М . : М е ди ци на , 1997. - 288с. 6. Гво зде в В .А. М е х а ни змы р е гуляци и а кти вно сти ге но в в пр о це ссе тр а нскр и пци и / В .А. Гво зде в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1996. - № 1. - С. 23 - 31. 7. Гво зде в В .А. Ре гуляци я а кти вно сти ге но в пр и со зр е ва ни и кле то ч ны х РН К / В .А. Гво зде в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1996. № 12. - С. 11 - 18. 8. Гво зде в В .А. П о дви ж на я Д Н К эука р и о т. 1. Стр уктур а , ме х а ни змы пе р е ме ще ни я и р о ль по дви ж ны х эле ме нто в в по дде р ж а ни и це ло стно сти х р о мо со м / В .А. Гво зде в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. 1998. - № 8. - С. 8 - 14. 9. Гво зде в В .А. П о дви ж на я Д Н К эука р и о т. 2. Ро ль в р е гуляци и а кти вно сти ге но в и эво лю ци и ге но ма / В .А. Гво зде в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1998. - № 8. - С. 15 - 21. 10. Гво зде в В .А. Ре гуляци я а кти вно сти ге но в, о б усло вле нна я х и ми ч е ско й мо ди ф и ка ци е й (ме ти ли р о ва ни е м) Д Н К / В .А. Гво зде в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1999. - № 10. - С. 11 - 17.

73

11. Ге не ти ка р а зви ти я р а сте ни й / Л.А. Луто ва [и др .]. – СП б : Н а ука , 2000. 539с. 12. Ге о р ги е в П .Г. Ра зли ч ны е ме х а ни змы р е гуляци и дли ны те ло ме р / П .Г. Ге о р ги е в, Л.С. М е ль ни ко ва , Т.Г. Ка н // М о ле куляр на я б и о ло ги я. - 2000. - Т.34, № 5. - С. 743 - 752. 13. Д о ки нз Р. Э го и сти ч ны й ге н / Р. Д о ки нз. - М . : М и р , 1993. - 318 с. 14. Д уб и ни н Н .П . Ге не ти ка / Н .П . Д уб и ни н – Ки ш и не в : Ш ти и нца , 1985. – 533 с. 15. Д ы мш и ц. Г.М . П р о б ле ма р е пли ка ци и ко нцо в ли не йны х мо ле кул Д Н К и те ло ме р а за / Г.М . Д ы мш и ц // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. 2000. - Т.6, № 5. - С. 8 - 13. 16. Д ы мш и ц. Г.М . Сю р пр и зы ми то х о ндр и а ль но го ге но ма / Г.М . Д ы мш и ц // П р и р о да . - 2002. - № 6. - С. 54 - 61. 17. Ж е р е б цо в Н .А. Би о х и ми я / Н .А. Ж е р е б цо в, Т.Н . П о по ва , В .Г. Ар тю х о в. – В о р о не ж : И зд-во В о р о не ж ско го ун-та , 2002. - 696 с. 18. Ж и муле в И .Ф . Со вр е ме нны е пр е дста вле ни я о стр уктур е ге на эука р и о т/ И .Ф . Ж и муле в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 2000. - Т.6, № 7. - С. 17 - 24. 19. Ж и муле в И .Ф . И нте р ка ляр ны й ге те р о х р о ма ти н и пр о б ле ма са йле нси нга / И .Ф . Ж и муле в, Е.С. Бе ляе ва , Т.Д . Ко ле сни ко ва // В е стни к В О Ги С. 2004. - Т.8, № 2. - С. 81 - 85. 20. За ва ли ш и н И .А. П р и о ны и пр и о нны е б о ле зни / И .А. За ва ли ш и н, И .Е. Ш и ти ко ва // Кли ни ч е ска я ми кр о б и о ло ги я и а нти ми кр о б на я х и ми о те р а пи я. – 2000. - Т.2, № 2. - С. 12 - 19. 21. За йнулли н В .Г. Ро ль ге не ти ч е ско й не ста б и ль но сти в ста р е ни и кле тки / В .Г. За йнулли н, А.А. М о ска ле в // Ге не ти ка . - 2000. - Т.36, № 8. - С. 1013 - 1016. 22. И нге -В е ч то мо в С.Г. Ц и то ге ны и пр и о ны : ци то пла зма ти ч е ска я на сле дстве нно сть б е з Д Н К? / С.Г. И нге -В е ч то мо в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1996. - № 5. - С. 11 - 18. 23. И нге -В е ч то мо в С.Г. П р и о ны др о ж ж е й и Ц е нтр а ль на я до гма мо ле куляр но й б и о ло ги и / С.Г. И нге -В е ч то мо в // В е стни к РАН . - 2000. - Т.70, № 3. С. 195 - 202. 24. И нге -В е ч то мо в С.Г. М а тр и ч ны й пр и нци п в б и о ло ги и (пр о ш ло е , на сто яще е , б удуще е ) / С.Г. И нге -В е ч то мо в // Э ко ло ги ч е ска я ге не ти ка . 2003. - Т.1, вы п.0. - С. 6 - 15. 25. И нге -В е ч то мо в С.Г. Бе лко ва я на сле дстве нно сть : ко нф о р ма ци о нны е ма тр и цы и эпи ге не ти ка / С.Г. И нге -В е ч то мо в // В е стни к В О Ги С. - 2004. - Т.8, № 2. - С. 60 - 66. 26. Ки се ле в Л.Л. Д во йна я спи р а ль Д Н К – си мво л и о сно ва со вр е ме нно й б и о ло ги и / Л.Л. Ки се ле в // В е стни к РАН . - 2003. - Т.73, № 10. - С. 919 929. 27. Ко ни ч е в А.С. М о ле куляр на я б и о ло ги я / А.С. Ко ни ч е в, Г.А. Се ва сть яно ва . - М . : И зда те ль ски й це нтр “ Ака де ми я”. - 2003. - 400с.

74

28. Ко р о ч ки н Л.И . Ка к ге ны ко нтр о ли р ую т р а зви ти е кле то к / Л.И . Ко р о ч ки н // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1996. - № 1. - С. 17 - 22. 29. Кула е ва О .Н . Бе лки те пло во го ш о ка и усто йч и во сть р а сте ни й к стр е ссу/ О .Н . Кула е ва // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1997. - № 2. - С. 5 - 13. 30. Ла нцо в В .А. Ре па р а ци я Д Н К и ка нце р о ге не з: уни ве р са ль ны е ме х а ни змы р е па р а ци и упр о - и эука р и о ти по сле дстви я и х по вр е ж де ни я уч е ло ве ка / В .А. Ла нцо в // М о ле куляр на я б и о ло ги я. - 1998. - Т.5, вы п.5. - С.757 772. 31. Луто ва Л.А. Би о те х но ло ги я вы сш и х р а сте ни й / Л.А. Луто ва . – СП б : И зд-во СП б ГУ , 2003. – 228 с. 32. Ль ю и н Б. Ге ны / Б.Ль ю и н. - М . : М и р , 1987. - 544 с. 33. Лю б о ми р ска я Н .В . М о б и ль ны е ге не ти ч е ски е эле ме нты эука р и о т: пр о ш ло е , на сто яще е , б удуще е / Н .В . Лю б о ми р ска я, Ю .В . И ль и н // М о ле куляр на я б и о ло ги я, 1999. - Т.33, № 6.- С. 958 - 968. 34. М е ти ли р о ва ни е Д Н К – уни ве р са ль ны й ме х а ни зм р е гуляци и а кти вно сти ге но в / А.А. П е нди на [и др .] // Э ко ло ги ч е ска я ге не ти ка .- 2004. - Т.2, № 1. - С. 27 - 37. 35. М о ле куляр на я б и о ло ги я кле тки / Б. Алб е р тс [и др .]. - М . : М и р , 1994. Т.1, стр . 253-348, 485-502; т.2, стр . 93-253. 36. М уто ви н Г.Р. О сно вы кли ни ч е ско й ге не ти ки / Г.Р. М уто ви н. - М . : В ы сш . ш к., 2001. - 234 с. 37. О вч и нни ко в Л.П . Ч то и ка к за ко ди р о ва но в мРН К / Л.П . О вч и нни ко в // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1998. - № 4. - С. 10 - 18. 38. О р га ни за ци я ге но ма / по д р е д. Ю .Ф . Бо гда но ва , А.А. П р о зо р о ва . – М . : Н а ука , 1989. – 237 с. 39. П р о х о р ч ук А.В . М е ти ли р о ва ни е ге но ма и е го р о ль в ф ункци о ни р о ва ни и эука р и о ти ч е ско го о р га ни зма / А.В . П р о х о р ч ук, А.С. Рузо в // Ге не ти ка . 2000. - Т.36, № 11. - С. 1475 - 1486. 40. Ра тне р В .А. И ндукци я тр а нспо зи ци й мо б и ль ны х ге не ти ч е ски х эле ме нто в стр е ссо вы ми во зде йстви ями / В .А. Ра тне р , Л.А. В а си ль е ва // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 2000. - № 6. - С. 14 - 21. 41. Све р дло в Е.Д . М и кр о ко см ге но ма / Е.Д . Све р дло в. - М о ле куляр на я б и о ло ги я, 1999. - Т.33, № 6. - С. 917 - 940. 42. Со йф е р В .Н . Ре па р а ци я ге не ти ч е ски х по вр е ж де ни й / В .Н . Со йф е р // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1997. - № 8. - С. 4 - 13. 43. Со йф е р В .Н . М е ж дуна р о дна я пр о гр а мма “ Ге но м ч е ло ве ка ” / В .Н . Со йф е р // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л.- 1998. - № 12. - С. 4 - 11. 44. Спи ва к И .М . Н а сле дстве нны е за б о ле ва ни я с пе р ви ч ны ми и вто р и ч ны ми де ф е кта ми р е па р а ци и Д Н К / И .М . Спи ва к // Ц и то ло ги я. - 1999. - Т.42. С. 338 - 379. 45. Спи р и н А.С. П р и нци пы стр уктур ы р и б о со м / А.С. Спи р и н // Со р о со вски й о б р а зо ва те ль ны й ж ур на л. - 1998. - № 11. - С.65 - 70. 46. Х е си н Р.Б. Н е по сто янство ге но ма / Р.Б. Х е си н. - М . : Н а ука , 1984. 472с.

75

47. Ч е нцо в Ю .С. В ве де ни е в кле то ч ную б и о ло ги ю / Ю .С. Ч е нцо в. - М . : И КЦ “ Ака де мкни га ”, 2004. – 495 с. 48. Ш умны й В .К. П р о б ле мы ге не ти ки р а сте ни й / В .К. Ш умны й // В е стни к В О Ги С. - 2004. - Т.8, № 2. - С. 32 - 39. 49. Я нко вски й Н .К. Н а ш а и сто р и я, за пи са нна я в Д Н К / Н .К. Я нко вски й, С.А. Бо р и нска я // П р и р о да . - 2001. -№ 6. - С. 12 - 25.

Авто р ы : Ана ста си я Ко нста нти но вна Буто р и на , О ль га Се р ге е вна М а ш ки на Ре да кто р О . А. Ти х о ми р о ва