Молекулярная структура геномов эукариот. 
Элементы геномов эукариот

При рассмотрении организации генома выделяют три ее уровня.

Первый уровень — отдельные гены и соответствующие регуляторные элементы.

Второй уровень — число генов и других сегментов ДНК, а также их взаимное расположение.

Третий уровень — система хроматина и ее влияние на линейную организацию и экспрессию генов. Связь между экспрессией генов и структурой хроматина доказана, но о механизмах этой связи известно пока очень мало.

Геном каждого вида уникален, однако у него есть и общие черты с геномами других видов.

Классификация сегментов ДНК предполагает их подразделение на следующие группы.

Гены. Ген эукариот — это совокупность сегментов ДНК, образующих экспрессирующуюся единицу. В результате экспрессии образуется один или несколько функциональных генных продуктов: полипептидов или РНК. Те сегменты ДНК, с которых генный продукт не транскрибируется, называют некодирующими. Некоторые некодирующие области (регуляторные сигналы, фланкирующие кодоны или вставочные последовательности, прерывающие ген) являются составными частями генов. Другие участки, имеющие отношение к репликации ДНК или выполняющие какие-то другие, пока неизвестные нам функции, находятся между генами.

Псевдогены. Это участки генома, близкие в структурном отношении к функционирующим генам, но не являющиеся их аллельными формами и не кодирующие никаких функциональных генных продуктов. Псевдогены могут быть молчащими или иметь мутации, с которых могут транскрибироваться и далее транслироваться дефектные полипептиды. Как правило псевдогены тесно сцеплены с соответствующими функциональными генами или включают последовательности, гомологичные фланкирующим функциональный ген.

Процессированные псевдогены. Это подкласс псевдогенов с определенной локализацией и структурой. Как правило они рассеяны по всему геному, в том числе и по разным хромосомам. По структуре они больше похожи на ДНК-копии мРНК, чем на гены.

Повторяющиеся последовательности. Имеются различные варианты повторов последовательностей в молекуле ДНК. Повторяющиеся последовательности, ориентированные в одном направлении в молекуле ДНК, называют прямыми повторами, или последовательностями, расположенными «голова-к-хвосту». Такие повторы могут входить в состав непрерывных (тандемных) повторов или быть разделенными другими последовательностями. Размер повторяющейся единицы варьирует от двух до нескольких тысяч пар нуклеотидов. Повторяющиеся последовательности, ориентированные в противоположных направлениях («голова-к-голове» или «хвостк-хвосту»), называют обратными (инвертированными) повторами.

Значительная часть большинства эукариотических геномов представлена последовательностями, повторяющимися в неизменной или несколько модифицированной форме. Число таких копий варьирует от двух до нескольких миллионов. Ген и родственные ему псевдогены образуют семейство повторяющихся последовательностей. Другие семейства, например повторяющиеся гистоновые гены, состоят преимущественно из кодирующих элементов. Семейства сателлитных ДНК содержат исключительно некодирующие единицы.

Наличие повторяющихся последовательностей в геноме характерно не только для эукариот. В частности, у таких прокариот, как Е. coli и S. ty— phimurium, имеются короткие (от 20 до 40 п. н.) палиндромные последовательности, повторяющиеся в межгенных промежутках 500 и более раз. Но на их долю приходится лишь 0,5 % всего генома. Кроме того, ДНК прокариот содержит повторяющиеся единицы длиной несколько тысяч пар оснований; одни из них являются генами рибосомной РНК, а другие — мобильными элементами. В отличие от прокариот, у многих эукариот на долю повторов приходится иногда более 50 % генома.

Гены, кодирующие РНК. В отличие от генов, кодирующих белки, где каждый транскрипт в результате многократной трансляции дает множество генных продуктов, транскрипт РНК-гена дает только одну копию конечного РНК-продукта. В трансляции мРНК и процессинге РНКпредшественников участвует широкий спектр молекул РНК, и многие из них требуются в относительно больших количествах. Спрос на РНК часто удовлетворяется благодаря большому избытку генов, среди которых выделяют 4 группы:

1. Гены, кодирующие 18S, 5S и 28S рРНК. Значительная часть данных о генах рибосомальных РНК (рРНК) была получена еще до появления методов рекомбинантных ДНК, поскольку рРНК, выделяемые из очищенных рибосом, не содержат примесей и могут быть использованы в качестве зондов для гибридизации без предварительного клонирования.

Исследования выявили сцепление трех рРНК в пределах одной транскрипционной единицы. Как правило кодирующие области названных генов эукариот сгруппированы в указанном порядке в одну транскрипционную единицу'. Эти РНК образуются из длинного транскриптапредшественника в результате процессинга, включающего расщепление РНК эндонуклеазами, и метилирования нуклеотидов и 2'-гидроксильных групп. Полная транскрипционная единица содержит два некодирующих спеисера (называемых внутренними транскрибируемыми спейсерами, ITS), которые разделяют три кодирующие области, а также имеет некодирующие участки перед первым геном 185 рРНК и за последним геном 285 рРНК (эти участки называются внешними транскрибируемыми спейсерами, ?75). У эукариот длина и нуклеотидная последовательность рРНК варьируют незначительно. В большинстве случаев копии рДНК в хромосоме организованы в виде тандемного повтора, образующего протяженный кластер. Эти кластеры часто локализованы в нескольких хромосомах. Единицы транскрипции рДНК в пределах кластеров разделены межгенными спейсерами, или IGS. Длина каждого IGS варьирует от 2 т. п. н. у дрожжей до 30 т. п. н. у млекопитающих. Нуклеотидные последовательности IGS сильно различаются у разных видов.

Число копий рДНК может варьировать и в пределах каждого вида. В геноме человека рДНК обнаружена в пяти хромосомных локусах, при этом каждый из них содержит разное число копий рДНК, кроме того, число копий на хромосому неодинаково у разных индивидов. Увеличение и уменьшение числа копий характерны для рДНК в такой же степени, как и для других длинных тандемных повторов. Причина заключается в неравной гомологичной рекомбинации между тандемными повторами.

• 2. Гены, кодирующие 5S рРНК. Все рибосомные гены некоторых простейших и грибов, в частности дрожжей 5. cerevisisae, в том числе гены
• 5S pPHK, сцеплены и находятся в одной повторяющейся единице. Однако гены 5S рРНК транскрибируются с цепи ДНК, комплементарной той, на которой синтезируется длинный предшественник 18S, 5S и 28S рРНК. При этом используются две разные РНК-полимеразы: длинный полицистронный транскрипт образуется при участии РНК-полимеразы I, а 5S рРНК — РНК-полимеразы Ш. Однако у другого вида дрожжей, Ss. cerevisisae, и у гриба Neurospora crassa гены 5S рРНК не входят в состав единого тандемного повтора, а рассеяны по всему геному.
• 3. Гены, кодирующие тРНК. Гены тРНК, как и гены 5S рРНК, транскрибируются с помощью РНК-полимеразы Ш. При этом промотор также располагается внутри кодирующей последовательности. Одни гены тРНК содержат интроны, другие нет. Как прерывистые, так и непрерывные гены могут быть даже у одного и того же вида, например у дрозофилы. Интроны генов тРНК как правило короткие, не более 45 п. н. Они всегда находятся с З'-стороны от антикодоновой последовательности.

Гены тРНК в эукариотических геномах, как и гены рРНК, обычно присутствуют в большом числе копий. Но в отличие от рДНК с их строго упорядоченной организацией, гены тРНК кажутся расположенными беспорядочно — они могут как соседствовать, так и не соседствовать друг с другом, находиться как в одном кластере, так и в разных. Таким образом, организация генов тРНК весьма разнообразна.

Функциональные гены тРНК фланкируются самыми разнообразными последовательностями, но среди них часто встречаются специфические повторы.

4. Гены, кодирующие малые ядерные и малые цитоплазматические РНК. Эукариотические клетки содержат множество коротких стабильных молекул РНК, большинство из которых присутствуют в ядре или цитоплазме в составе нукпеопротеидных частиц (нуклеосом). Некоторые из малых ядерных РНК (мяРНК) играют ключевую роль в процессинге первичных транскриптов с образованием зрелых мРНК и рРНК. Функции малых цитоплазматических РНК (мцРНК), за исключением 7SL-PHK сигналраспознающих частиц, не выяснены.

В геноме многоклеточных организмов присутствует множество сегментов ДНК, которые гибридизуются с U1-, U2-, U3-, U4-, U5-, U6- и и7-мяРНК или с соответствующими кДНК. Одни такие сегменты диспергированы, а другие сгруппированы обычно в тандемные повторы. Как и в случае генов 5S рРНК, соответствующий кодирующий участок может входить в состав длинного сегмента ДНК, который образует повторяющуюся единицу. Как правило, функциональные гены организованы в кластеры, а псевдогены диспергированы. Кодирующие последовательности функциональных генов комплементарны последовательностям соответсгвующих мяРНК.

Сигналраспознающие частицы, основным компонентом которых является 7SL-PHK, участвуют в переносе новосинтезированных секретируемых и связанных с мембранами полипептидов через липидный бислой эндоплазматического ретикулума.

Функции генов других мцРНК не выяснены.

Гены, кодирующие белки. Гены, кодирующие белки, у большинства видов содержат кодирующие области (экзоны), прерываемые одним или несколькими нитронами. Однако некоторые гены, в частности кодирующие гистоны или интерфероны, не имеют вставочных последовательностей. Их число в разных генах варьирует в широких пределах, а количество ДНК, приходящееся на долю интронов, может иногда в десятки раз превышать количество ДНК кодирующих областей. Как правило, нуклеотидные последовательности аналогичных экзонов (относящихся к паралогичным (гомологичные гены, возникшие в результате дупликации и эволюционировавшие параллельно в одном и том же организме) генам в одном геноме или к ортологичнъш (гомологичные гены, которые неодинаково эволюционировали у различных видов, имеющих общего предка) генам в разных геномах отдельных видов) более консервативны, чем нуклеотидные последовательности соответствующих интронов. Положение последних как правило фиксировано, а по составу и длине они варьируют.

Все известные гены, кодирующие белки, транскрибируются РНК-полимеразой П, поэтому часто имеют сходные промоторы и сигналы полиадснилирования. Но многие такие гены связаны с более специфичными регуляторными последовательностями, которые опосредуют действия гормональных, средовых или онтогенетических факторов.

В отличие от генов, кодирующих РНК, полипептидные гены представлены в геноме в единственном числе. Однако геном часто содержит сегменты, гомологичные специфическому гену. Таким образом, однокопийный ген может входить в состав семейства близкородственных последовательностей, например в семейство генов гормона роста. Члены такого семейства могут кодировать незначительно различающиеся белки, например изозимы. Членами семейства могут быть и псевдогены. Генетики условились считать:

• — два неаллельных гена идентичными, если они кодируют фактически одинаковые белки и находятся под общим контролем;
• — близкородственные гены членами одного мультигенного семейства.

Однокопийные гены могут принадлежать также большому надсемей;

ству отдаленно родственных последовательностей. Гены такого надсемейства, несмотря на структурное сходство, кодируют совершенно разные белки (например пролактин и гормон роста). Распределение отдельных генов по надсемействам возможно лишь при наличии информации об их пуклеотидной последовательности. При этом сходство между двумя белками не находится в прямой зависимости от сходства между соответствующими генами. Вследствие вырожденности генетического кода изменения в третьей позиции кодонов мало влияют на тип кодируемой аминокислоты, в то время как такие же изменения в первой или второй позиции кодонов приводят к существенным изменениям в структуре белка.

Помимо генов, принадлежащих мультигенным семействам или надсемействам, имеются и уникальные гены, например ген тиреоглобулина человека и ген актина дрожжей.

Повторяемость последовательностей ДЫК. Тандемные повторы — характерная особенность всех эукариотических геномов. Родственные последовательности ДНК часто образуют тандемные повторы. В одних случаях, как у генов, кодирующих рРНК или гистоны, тандемно повторяются группы одинаковых генов. В других случаях в тандемы организуются хотя и родственные, но все же различающиеся гены, например члены мультигенных семейств глобиновых, овальбуминовых генов и генов гормона роста человека.

Однако тандемные повторы встречаются не только в целых генах, но и в их кодирующих и некодирующих участках.

Повторяющиеся последовательности, рассеянные по всему геному. Члены мультигенных семейств, как и функциональные гены, а также процессированные псевдогены, как правило многократно повторяются в несцепленных участках генома. Однако число копий таких последовательностей, за немногими исключениями, не превышает 50. Максимальное число копий — 1 000 — известно для псевдогенов U1-PHK человека. Однако многие эукариотические ДНК содержат и другие, очень большие семейства повторяющихся последовательностей, члены которых рассеяны по геному в количестве 10⁶ копий. Роль большинства этих последовательностей остается невыясненной, хотя некоторые члены таких семейств могут быть функциональными генами.

Важнейшее свойство этих последовательностей — их видовая изменчивость. Частота встречаемости повторов в родственных семействах может различаться у разных видов в 10 и более раз. Такое разнообразие характерно для геномов растений, многих беспозвоночных и позвоночных.

Но пластичность диспергированных повторов не ограничивается первичной структурой последовательностей и числом их копий. Многие рассеянные повторы представляют собой мобильные генетические элементы, локализация которых даже у близкородственных видов может быть неодинаковой. Более того, аллельные различия могут определяться наличием или отсутствием какого-либо повтора.

Последовательности в области центромер и теломер. Центромеры и теломеры — наиболее четко выраженные структуры хромосом. Долгое время считали, что их строение и функции связаны с какими-то особыми последовательностями ДНК. Однако на молекулярном уровне удалось выявить лишь одну такую особенность — присутствие в области центромер и теломер сателлита ой ДНК. О функциях этой ДНК пока ничего не известно.

Геномы органелл эукариот: ДНК митохондрий и хлоропластов. Отличительная особенность клеток эукариот состоит в том, что часть их генетической информации заключена в молекулах, находящихся вне хромосом, локализованных в ядре. Существуют два таких типа цитоплазматических ДНК: один — в митохондриях эукариот, другой — в хлоропластах зеленых растений и водорослей. Как и все цитоплазматические элементы, они наследуются по материнской линии, а не по правилам Г. Менделя.

Большинство белков, из которых построены функциональные и структурные компоненты митохондрий и хлоропластов, кодируются хромосомной ДНК, синтезируются в цитоплазме на рибосомах и транспортируются в соответствующие органеллы.

Однако несколько белков кодируются неядерной ДНК и синтезируются на особых рибосомах органелл. Таким образом, органеллы формируются в результате действия двух геномов и двух трансляционных аппаратов. РНК-компоненты рибосом органелл, а также тРНК, использующиеся при трансляции, кодируются геномами митохондрий и хлоропластов. Очевидно, что взаимодействие между продуктами хромосомных, митохондриальных и хлоропластных генов обусловлено генетически. Например, мутации в митохондриальной ДНК у дрожжей и кукурузы могут супрессироваться хромосомными мутациями. Определенные виды мужской стерильности (образование стерильной пыльцы), широко распространенные у растений, вызваны мутациями в митохондриальной ДНК и наследуются по материнской линии. Фертильность таких растений может восстанавливаться доминантными аллелями хромосомных генов.