Реферат - ДНК и современное представление о её роли в передачи наследственной информации - файл n1.doc

Реферат - ДНК и современное представление о её роли в передачи наследственной информации
скачать (2746 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2746kb.13.10.2012 18:54скачать

n1.doc



Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Генетика
Реферат

ДНК и современное представление о её роли в передачи наследственной информации

Выполнил:

Проверил:


Москва
2010 г.

Оглавление





Оглавление 2

Введение 3

Глава 1. Данные указывающие на роль ДНК в передаче генетической информации. 4

Глава 2. Структура молекулы ДНК, репликация, нахождение в клетках 7

§ 1. Первичная структура ДНК 7

§ 2. Макромолекулярная структура ДНК 8

§ 3. Принцип репликации молекулы ДНК 11

§4. Хранение ДНК в клетках 14

Глава 3. Как в ДНК закодирована генетическая информация? 18

Глава 4. ДНК и перенос генетической информации 21

§ 1. Общие представления о переносе генетической информации 21

§ 2. Вертикальный перенос генов 22

§3. Горизонтальный перенос генов 26

Заключение 32

Список литературы 33




Введение



Волна интереса к молекулярным основам жизни, захлестнувшая науку в середине XX века до сих пор не затухает. В связи с этим наблюдается экспоненциальное накопление молекулярно-генетического материала. В этом море фактов не обойтись без помощи обобщений, поэтому обзор современных представлений о передаче генетической информации весьма актуален, особенно для тех, кто только приступает к глубокому изучению основ молекулярной биологии.

Целью данного работы было создание такого обзора. Курсовая работа начинается с рассказа о структуре ДНК, без знания которой невозможно понимание основных молекулярно-генетических процессов. В силу ограниченности объема работы материал по достаточно хорошо разработанным и освещенным в литературе темам – репликации, митозу, мейозу и половому процессу – дан в конспективном и часто сильно упрощенном виде. Основной упор в работе был сделан на раскрытие механизмов горизонтального переноса генов – теме, безусловно, важнейшей, но почему-то хуже известной.

Основная часть работы состоит из четырех глав. Первая глава посвящена истории развития представлений о ДНК как о носителе генетической информации. Вторая глава обращает внимание на химическую структуру ДНК, принцип ее репликации, непосредственно вытекающий из структуры, а также на взаимодействия ДНК с молекулами специальных клеточных белков. Третья глава дает ответ на вопрос: что означает выражение, «ДНК несет генетическую информацию»? И, наконец, в четвертой главе дан обзор основных процессов вертикального и горизонтального переноса генов.

Глава 1. Данные указывающие на роль ДНК в передаче генетической информации.



В 1866 году чешский священник Г.Мендель опубликовал работы по наследованию окраски цветков садового гороха, где им высказана мысль, что за наследование генетических свойств организма отвечают некие «элементы», которые мы сегодня называем генами. Хотя это открытие в то время не могло иметь к молекулам ДНК какое-либо отношение (поскольку, что такое ДНК да и что такое ген, просто не было известно), оно заложило определенные основы для последующего изучения наследственности и, соответственно, генов. Тогда их природа была просто загадочна. Спустя 3 года, в 1869 году, швейцарским врачом Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов человека была впервые обнаружена названная им «нуклеином» особая субстанция (уже затем переименованная Р. Альтманом в нуклеиновую и позже в дезоксирибонуклеиновую кислоту – ДНК), функция которой была также абсолютно не ясна.

Однако вопросы хранения и передачи наследственной информации всегда крайне интересовала ученых, и уже с самого начала века двадцатого стали проводиться интенсивные исследования, направленные на выяснение их закономерностей. Тогда же Саттоном и Бовери было впервые высказано предположение о том, что генетическая информация от одного поколения другому передается хромосомами (от др.-греч. ??ῶ?? — цвет и ?ῶ?? — тело) – особыми ядерными структурами, которые хорошо видны во время деления клетки. Это утверждение было подтверждено работами Т. Моргана, который за исследования функций хромосом как носителей наследственности в 1933 году получил Нобелевскую премию. Однако прошло еще много лет, прежде чем было выяснено, что именно служит генетическим материалом – ДНК или белок хромосом. Ученые были склонны считать, что белок – единственное вещество, молекулы которого обладают достаточным структурным разнообразием, чтобы служить генетическим материалом.

В 1928 году английский микробиолог Фредерик Гриффит сделал наблюдение, которое впоследствии сыграло важную роль в решении этой проблемы. Гриффит пытался получить вакцину против пневмококка – возбудителя пневмонии. Были известны две формы этой бактерии, из которых одна покрыта студенистой капсулой и вирулентна (вызывает заболевание), а другая не имеет капсулы и невирулентна.

Гриффит надеялся, что если ввести больному бескапсульную или убитую нагреванием инкапсулированную форму, то его организм начнет вырабатывать антитела, которые смогут предохранить от заболевания пневмонией. В ряде экспериментов Гриффит вводил мышам обе формы бактерий и получил результаты, представленные в таблице 1.


Таблица 1. Результаты экспериментов Гриффита
При вскрытии погибших мышей в них были обнаружены живые инкапсулированные формы. На основе этих результатов Гриффит сделал вывод, что от убитых нагреванием инкапсулированных форм живым бескапсульным формам, очевидно, передается какой-то фактор, заставляющий их вырабатывать капсулы и становиться вирулентными. Однако природа этого трансформирующего фактора оставалась неизвестной вплоть до 1944 года, когда его удалось выделить и идентефицировать. На протяжении десяти лет ученые занимались выделением и очисткой молекул, входящих в состав убитых нагреванием инкапсулированных клеток, и и изучали их способность трансформировать бескапсульные клетки. Удаление полисахаридной капсулы и белковой фракции из клеточных экстрактов не оказывало влияния на трансформацию, но добавление фермента дезоксирибонуклеазы (ДНКазы), гидролизующего ДНК, препятствовало ей. Способность высокоочищенных клеток вызывать трансформацию показала, что трансформирующим фактором Гриффита была ДНК.

В дальнейших экспериментах было убедительно показано, что именно ДНК является носителем генов во всех живых клетках.

Для того чтобы понять каким образом ДНК хранит генетическую информацию необходимо познакомиться с ее структурой.

Глава 2. Структура молекулы ДНК, репликация, нахождение в клетках




§ 1. Первичная структура ДНК



Дезоксирибонуклеиновая кислота является биополимером, мономерными звеньями которого являются дезоксирибонуклеотиды (рис.1) – фосфорные эфиры дезоксирибонуклеозидов, которые в свою очередь построены из D-2-дезоксирибозы (пятиуглеродного моносахарида) и гетероциклического азотистого основания. Связь между углеводным остатком и азотистым основание в нуклеотиде осуществляется с помощью N-гликозидной связи. В качестве гетероциклических оснований ДНК содержит два пурина: аденин (А) и гуанин (G) и два пиримидина: тимин (Т) и цитозин (С).


Рисунок 1. Дезоксирибонуклеотиды

Мономерные остатки в ДНК связаны между собой фосфодиэфирными связями, осуществляемыми за счет 3’-ОН одного нуклеотидного остатка и 5’-ОН другого. Такую межнуклеотидную связь называют 3’,5’-фосфодиэфирной. Цепи ДНК обладают определенной полярностью, или направлением, поскольку все межнуклеотидные фосфодиэфирные связи ориентированы вдоль цепи одинаково. Благодаря полярности каждая полинуклеотидная цепь имеет 5’-конец и 3’-конец.

§ 2. Макромолекулярная структура ДНК



В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры ДНК. При построении модели ученые основывались на четырех группах данных:

1. ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных 3’,5’-фосфодиэфирными связями.

2. Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилам Чаргаффа: в любой ДНК содержание пуриновых оснований (A+G) всегда равно содержанию пиримидиновых оснований (T+C); число остатков А всегда равно числу остатков Т, число остатков G – числу остатков С.

3. Рентгенограммы волокон ДНК, впервые полученные М. Уилкинсом и Р. Франклин, указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит более одной полинуклеотидной цепи.

4. Кислотно-щелочное титрование ДНК показывает, что ее структура стабилизируется водородными связями. Титрование и нагревание нативной ДНК вызывает заметные изменения ее физических свойств, в частности вязкости, переводя ее в «денатурированную» форму, причем ковалентные связи при этом не разрушаются.

На основании этих данных Д. Уотсон и Ф. Крик предложили трехмерную модель ДНК, которая объясняла результаты рентгеноструктурного анализа и характерную для ДНК парность оснований. Согласно их модели молекула ДНК представляет собой правильную правовинтовую спираль, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными друг относительно друга и вокруг общей оси. Две полинуклеотидные цепи, расположенные по периферии молекулы, имеют антипарллельную ориентацию. Это означает, что если двигаться вдоль оси спирали от одного ее конца к другому в одной цепи, фосфодиэфирные связи имеют 3’?5’напрвление, а в другой – 5’3’, т.е. на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены 3’-конец одной цепи и 5’-конец другой. Диаметр спирали постоянен вдоль всей ее длины и равен 2,0 нм.

Гидрофильные пентозофосфатные остовы цепей расположены на внешней стороне двойной спирали. Гидрофобные азотистые основания обеих цепей уложены стопкой с интервалом 0,34 нм и направлены внутрь спирали; плоскости колец гетероциклических оснований перпендикулярны главной оси спирали. Длина витка спирали (полный оборот спирали), который соответствует ее периоду идентичности, составляет 3,40 нм. На один виток спирали приходится 10 нуклеотидных остатков в одной цепи.

Двойная спираль стабилизируется за счет волдородных связей между пуринами одной цепи ДНК и пиримидинами другой, а именно между A и Т, G и С. Основания, образующие пары, в которых они сочетаются водородными связями, получили название комплементарных пар.



Рисунок 2. Трехмерная модель молекулы ДНК (В-форма)
В АТ-паре основания соединены двумя водородными связями: одна – амино- и кетогруппами, другая между двумя атомами азота пурина и пиримидина соответственно. В GC-паре имеются три водородные связи: две из них образуются между амино- и кетогруппами, а третья также между атомами азота пурина и пиримидина. В свяхи с этим последовательность оснований одной цепи определяет их последовательность в другой.



Рисунок 3. Короткий участок молекулы ДНК. Показаны водородные связи между азотистыми основаниями

§ 3. Принцип репликации молекулы ДНК



Итак, основной принцип, лежащий в основе макромолекулярной структуры ДНК, - это так называемый принцип комплементарности (рис. 4). Как уже упоминалось выше, молекула ДНК состоит из двух взаимозакрученных цепей. Эти цепи связаны друг с другом посредством взаимодействия их противолежащих нуклеотидов. При этом по структурным соображениям существование такой двутяжной структуры оказывается возможным только в том случае, если противолежащие нуклеотиды обеих цепей будут стерически комплементарны, т.е. будут своей пространственной структурой дополнять друг друга. Такими взаимодополняющими – комплементарными – парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).

Следовательно, согласно этому принципу комплементарности, если в одной цепи молекулы ДНК мы имеем некую последовательность четырех сортов нуклеотидов, то во второй цепи последовательность нуклеотидов будет однозначно детерминирована, так что каждому А первой цепи будет соответствовать Т во второй цепи, каждому Т первой цепи – А во второй цепи, каждому Г первой цепи – Ц во второй цепи и каждому Ц первой цепи – Г во второй цепи.

Видно, что указанный структурный принцип, лежащий в основе двутяжного строения молекулы ДНК, позволяет легко понять точное воспроизведение исходной структуры, т.е. точное воспроизведение информации, записанной в цепях молекулы в виде определенной последовательности из 4 сортов нуклеотидов. Действительно, синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК.

При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности (рис. 5). Процесс расхождения двух цепочек исходной молекулы ДНК продолжается, и соответственно обе цепи дополняются комплементарными цепями. В результате, как видно на схеме, вместо одной возникают две молекулы ДНК, в точности идентичные исходной. В каждой получившейся «дочерней» молекуле ДНК одна цепь, как видно, целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.



Рисунок 4. Полуконсервативная репликация
Главное, что еще раз необходимо подчеркнуть, это то, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК как таковой, и открытие этого, безусловно, составляет одно из главных достижений биологии. Однако проблема воспроизведения (редупликации) ДНК не исчерпывается констатацией потенциальной способности ее структуры к точному воспроизведению своей нуклеотидной последовательности. Дело в том, что ДНК сама по себе вовсе не является самовоспроизводящей молекулой. Для осуществления процесса синтеза – воспроизведения ДНК по описанной выше схеме необходима деятельность специальных ферментативных комплексов (праймазы, хеликазы, ДНК-полимеразы, лигазы и т.д.). Эти ферменты осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу. Таким образом, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок.

§4. Хранение ДНК в клетках



ДНК в живых клетках никогда не представлена в виде индивидуальных молекул, а всегда входит в сложные нуклеопротеидные комплексы с белками.

Геном прокариот может быть представлен одной или несколькими линейными или (чаще) кольцевыми молекулами ДНК. Размер генома различных бактерий колеблется от 580 тыс. н.п. у micoplasma genitelium до 9500 тыс.н. п. у Myxococcus Xanthus. Кроме того в геном бактерий могут входить дополнительные самореплицирующиеся молекулы ДНК – плазмиды, о которых будет сказано ниже. ДНК бактериальной хромосомы обычно связана с белками и РНК и за счет этого сильно компактизована. ДНК в комплексе с белком носит название хромосомы или нуклеоида. Нуклеоид достаточно хорошо выявляется при световой микроскопии после специфической окраски на ДНК по методу Фельгена или при окраске флуорохромами. Его можно наблюдать и с помощью фазово-контрастного устройства у крупных бактерий как темное и более контрастное образование в срединной части клетки. На ультратонких срезах зона нуклеоида представлена тонкими рыхлыми сетями фибрилл толщиной 2 – 7нм.

Нуклеоиды бактерий на 80% состоят из ДНК и 20% приходятся на различные белки и РНК. Компактизация ДНК в нуклеоиде достигается за счет поддержания ее белками и РНК в суперспирализованном состоянии. Если изучать выделенные целые нуклеоиды бактерий, то окажется, что они представляют собой тела, состоящие из многочисленных суперспирализованных петель ДНК, отходящих от плотной центральной области. Обработка выделенных нуклеоидов РНКазой и протеолитическими ферментами приводит к разрыхлению центральной облати нуклеоидов, а короткая обработка ДНКазой – к снятиюсверхспирализации петель и декомпактизации всего нуклеоида. Таким образом было показано, что компактизация нуклеоида связана с наличием связок, содержащих РНК и некоторые белки. Тем самым гигантская кольцевая молекула – хромосома с помощью РНК и белков многократно складывается, образуя многочисленные петли, ДНК которых подвергается сверхспирализации, что приводит к значительной компактизации всего комплекса, который и представляет собой нуклеоид (рис. 6). Необходимо подчеркнуть, что часть ДНК нуклеоида связана с небольшим числом специальных основных белков, отличных от гистонов эукариот. Одна молекула одного из таких белков (H-NS) приходится на 400 н.п. ДНК.


Рисунок 5. Деконденсация бактериальных хромосом

а – кольцевая хромосома; б – белковые сшивки образуют петлевые домены; в – сверхспирализация доменов: г и д – различные формы деконденсации нуклеоида
С петлями ДНК нуклеоида связано большое число молекул различных синтезируемых РНК и рибосом, которые обнаруживаются по периферии нуклеоплазмы. Бактериальные хромосомы никогда не бывают отделены от цитоплазмы специальными оболочками, они всегда связаны с плазматической мембраной через специфические мембранные белки, которые взаимодействуют с ДНК в зоне старта ее синтеза.

У эукариот генетическая информация обычно содержится в нескольких линейных хромосомах внутри ядра. Как показывает анализ, они также как и хромосомы прокариот состоят из ДНК и белка, а также небольшого количества РНК. С отрицательно заряженной молекулой ДНК взаимодействуют основные белки-гистоны. Этот комплекс ДНК-белок эукариот называется хроматином.

Большое количество ДНК, содержащееся в клетках эукариот (на несколько порядков больше, чем у прокариот – от десятков миллионов н.п. у низших эукариот до миллиардов) сопряжено с проблемой упаковки. Чтобы поддерживать высокий уровень организации при сложенной ДНК, гистоовые белки образуют для ДНК очень точно спланированные «строительные леса».

Было показано, что спираль ДНК соединяется с группами из восьми гистоновых молекул с образованием нуклеосом – частиц, имеющих вид бусинок, нанизанных на нитку. Нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК плотно упакованы; они образуют спираль толщиной 30 нм, на каждый виток которой приходится примерно 6 нуклеосом. Эта стуктура известна под названием «волокна 30 нм», или соленоидного волокна.



Рисунок 6. Уровни компактизации хроматина эукариот. 1 – нкулеосомный, 2 –нуклеомерный, 3 – хромомерный, 4 – хромонемный.

Поскольку ДНК должна быть упакована даже еще плотнее, сами соленоиды должны быть каким-то образом сложены или скручены. Как это достигается – пока точно неизвестно. Предполагается, что 30 нанометровая фибрилла образует структуры, напоминающие петлевые домены нуклеоида бактерий, они носят названия хромомер. Линейное сближение и дальнейшая компактизация хромомер дает нить толщиной 100 нм – хромонему. Особым образом свитая хромонема дает митотическую хромосому, различимую в оптический микроскоп (рис.7).

На сегодняшний день установлено, что ДНК во время интерфазы расположена в ядре упорядочено, в организации интерфазных хромосом большую роль играет так называемый ядерный белковый матрикс.

Глава 3. Как в ДНК закодирована генетическая информация?



Еще до расшифровки макромолекулярной структуры ДНК было ясно, что информация о всех свойствах живого организма каким-то образом записана в этой молекуле. С развитием биохимии стало понятно, что все признаки организма так или иначе определяются его набором белков. Белки-ферменты расщепляют пищу, отвечают за поглощение и выделение солей, синтезируют жиры и углеводы, производят множество других биохимических превращений. Белки определяют цвет глаз, рост – словом, внешнюю специфичность организмов. В процессе жизнедеятельности белковые молекулы постепенно разрушаются, теряют свою структуру – денатурируют. Их активность падает, и клетки заменяют их новыми. Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры (последовательности аминокислот), причем специфичность этой аминокислотной последовательности безошибочно повторена во всех молекулах данного клеточного белка у данной клетки. Таким образом, был сделан вывод о том, что если ДНК определяет наследственные свойства организма, то она должна содержать в себе информацию о синтезе именно белков т.е. ее структура должна детерминировать последовательность аминокислот в белковой цепи.

Это предположение оказалось верным: главная, командная, роль в определении специфической структуры белков принадлежит ДНК. После того как было доказано, что ДНК кодирует синтез белковых молекул, стало понятно, что последовательность аминокислот в кодируемых белках как-то связана с последовательностью азотистых оснований молекулы ДНК. Эта связь известна под названием генетического кода.

В природе для построения белков используется 20 аминокислот, каждая из них должна кодироваться определенным сочетанием нуклеотидов (оснований). Если бы положение одной аминокислоты в первичной структуре какого-либо белка определяло одно основание, то этот белок мог бы содержать только 4 различных аминокислоты (по числу разновидностей оснований). Если бы каждая аминокислота кодировалась двумя основаниями, то с помощью такого кода можно было бы определить 42=16 аминокислот (число возможных сочетаний по два основания четырех разновидностей, порядок имеет значение). Включение в белковые молекулы всех 20 аминокислот может обеспечить только код, состоящий из трех оснований. Такой код может давать 43=64 сочетаний оснований, что более чем достаточно.

С помощью многочисленных экспериментов удалось подтвердить, что код действительно триплетен и установить, какие тройки нуклеотидов что кодируют (табл. 2). Но совершенно очевидно, что триплетный код избыточен для 20 аминокислот, и некоторым из них соответствует более чем один триплет. Интересно отметить, что для всех живых организмов генетический код универсален, что подтверждает общность происхождения всего живого на нашей планете.

Различные достаточно длинные участки молекул ДНК ответственны за синтез разных белков. Тем самым одна молекула ДНК может определить синтез большого числа функционально и химически различных белков клетки. За синтез каждого одного типа белков ответствен лишь определенный участок молекулы ДНК. Такой участок молекулы ДНК, связанный с синтезом какого-либо белка в клетке, часто обозначают термином «цистрон» или ген.

Между генами в ДНК имеются «знаки препинания», т.е. имеются не кодирующие никакую аминокислоту триплеты – это три т.н. стоп-кодона. Внутри же генов нет никаких знаков препинания, т.е. каждый нуклеотид внутри гена имеет значение и выпадение или добавление одного нуклеотида может привести к драматическим изменениям в первичной структуре белка.


 

T(U)

C

A

G

T(U)

TTT Phe

TTC Phe

TTA Leu

TTG Leu

TCT Ser

TCC Ser

TCA Ser

TCG Ser

TAT Tyr

TAC Tyr

 TAA Stop

 TAG Stop

TGT Cys

TGC Cys

 TGA Stop

TGG Trp

C

СTT Leu

СTC Leu

СTA Leu

СTG Leu

CCT Pro

CCC Pro

CCA Pro

CCG Pro

CAT His

CAC His

CAA Gln

CAG Gln

CGT Arg

CGC Arg

CGA Arg

CGG Arg

A

ATT Ile

ATC Ile

ATA Ile

ATG Met

ACT Thr

ACC Thr

ACA Thr

ACG Thr

AAT Asn

AAC Asn

AAA Lys

AAG Lys

AGT Ser

AGC Ser

AGA Arg

AGG Arg

G

GTT Val

GTC Val

GTA Val

GTG Val

GCT Ala

GCC Ala

GCA Ala

GCG Ala

GAT Asp

GAC Asp

GAA Glu

GAG Glu

GGT Gly

GGC Gly

GGA Gly

GGG Gly


Таблица 2. Генетический код

Глава 4. ДНК и перенос генетической информации

§ 1. Общие представления о переносе генетической информации



Обычно под передачей генетической информации подразумевают наследование родительских генов потомками. Это так называемый горизонтальный перенос генов, он осуществляется при размножении. Клеточная теория постулирует, что клетка лежит в основе размножения организмов, поэтому мы прежде всего обратимся к делению клеток. Бесполое размножение (каким бы своеобразным оно не было) связано митотическим деленим эукариотических клеток или бинарном делением в случае прокариот. В результате бесполого размножения образуются новые особи, генетически идентичные родительскому организму, его клоны. Это связано с характером митотического деления: в результате него (как правило) образуются две генетически идентичные клетки (как мы увидим позже причиной этому является редупликация ДНК). Смысл полового размножения заключается в увеличение внутривидовой генетической вариативности (если бы размножение сводилось бы только к бесполому, то эта вариативность могла быть обусловлена только мутациями), за счет перегруппировка генов двух родительских клеток. Однако в результате такого процесса возникали бы полиплоидные клетки, чтобы этого избежать эволюция разработала особый способ деления – мейоз, в результате которого образуется две клетки с уменьшенным вдвое набором хромосом. Клетки, вступающие в мейоз диплоидны – они имеют два набора гомологичных (в них содержатся аллели одних и тех же генов) хромосом. В результате мейоза образуются половые клетки – гаметы. Гаметы гаплоидны (у них один набор хромосом), в результате их слияния образуется диплоидная зигота, из которой развивается новый организм. Для еще большего увеличения комбинативной изменчевости во время мейоза проходит обмен между гомологичными участками хромосом – кроссинговер. Таки мобразом, потомкам передаются совершенно новые хромосомы, отличающиеся по своему составу от всех родительских хромосом. Считается, что мейоз и, соответственно половой процесс характерен для всех эукариот. Для прокариотических клеток половой процесс не характерен. Процессы аналогичные половому размножению эукариот, приводящие к генетической рекомбинации, встречаются и у прокариот, они будут обсуждены позже. Эти процессы относятся к явлениям горизонтального переноса генов (в отличие от вертикального переноса от родителей к детям) – передачи частей ДНК не-дочернему организму. Такой перенос может быть осуществелен не только между представителями разных видов, но и меду организмами, принадлежащими к разным царствам.

Нужно отметить, что при передаче генетической информации доминируют два молекулярно-биологических процесса: репликация ДНК и рекомбинация. В следующих параграфах мы подробно остановимся на этих процессах.

§ 2. Вертикальный перенос генов



Основой бесполого размножения у всех эукариот является митоз – способ деления клеток, при котором каждая из двух вновь возникающих клеток получает такой же генетический материал, какой был в исходной клетке. В основе митоза лежит удвоение хромосом за счет репликации ДНК и следующие за ним равное распределение хромосом между дочерними клетками. Клеточный цикл эукариот (клеточный цикл – это период жизни клеток от деления до деления) жестко контролируется: делению обязательно предшествует одно удвоение хромосом (S-период). Этот контроль нужен для того, чтобы в ряду клеточных поколений сохранялось и строго поддерживалось количестве ДНК на клетку.

Как уже было сказано, во время S-периода клеточного цикла происходит полная репликация ДНК. В хромосомах эукариот существует множество автономных точек мест начала репликации. Все эти точки включаются почти одновременно в начале S-периода. В дальнейшем по две репликативные вилки расходятся от мест начала репликации до того момента как встретятся с вилками соседних репликонов. В этом месте реплицированные участки соседних репликонов объединяются в единые ковалентные цепи двух новосинтезированных молекул ДНК. Полирепликонная структура хромосом эукариот позволяет реплицировать их огромный геном достаточно быстро (обычная длительность S-периода – несколько часов).



Рисунок 7. Схема митотического жизненного цикла
После того как все хромосомы полностью реплицировались клетка приступает к подготовке митоза (G2 период). Митоз эукариотических клеток связан с конденсацией реплицированных хромосом, которые приобретают вид плотнвх нитчатых структур. Эти нитчатые структуры состоят из двух идентичных частей – сестринских хроматид (образованных в результате репликации ДНК), соединенных друг с другом в районе центромеры. Митоз начинается с конденсации хромосом и разрушения ядерной оболочки. В процессе митоза сестринские хроматиды переносятся в дочерние клетки специальной структурой – веретеном деления. Веретено, построенное из микротрубочек, свободные концы которых (противоположные концы закреплены на центрах организации митротрубочек) прикрепляются к центромерным районам хромосом, позволяет точно равномерно разделить хроматиды между дочерними клетками. В дальнейшем микротрубочки укорачиваются и растягивают хромосомы (после отделения друг от друга хроматиды становятся самостоятельными хромосомами) по полюсам клетки, после чего вокруг двух групп хромосом образуются два новых ядра. Деление клеток завершается разделением цитоплазмы клеток – цитотомией – между двумя дочерними ядрами (рис. 7).

Мейоз у всех эукариот тоже протекает сходно. Он состоит из двух последовательных клеточных делений: первого и второго, причем репликация ДНК предшествует только первому делению. В мейоз, также как и в митоз вступают хромосомы, состоящие из двух сестринских хроматид (реплицированные хромосомы). Отличие заключается главным образом в том, что хромосомные белки синтезированы не полностью и репликация ДНК также не закончена до конца: в отдельных участках хромосом ДНК осталась недореплицированной. Такой ДНК немного, всего несколько тысячных долей. Этих отличий достаточно, чтобы поведение хромосом в первой профазе (первая стадия деления) мейоза отличались от поведения в митотической профазе. Во время профаз первого мейотического деления гомологичные хромосомы сближаются и вступают в тесный контакт (за счет особой белковой структуры – синаптонемного комплекса) по всей длине друг друга с образованием т.н. бивалента (стадия зиготены). Каждый бивалент состоит из 4 хроматид. Во время следующей стадии - пахитены – может происходить взаимный обмен между идентичными участками ДНК гомологичных хромосом. Это т.н. кроссинговер. Таким образом возникают отличные от исходных хромосомы, содержащие отдельные участки, пришедшие от гомологов. В анафазе первого мейотического деления к полюсам клетки веретено деление доставляет не хроматиды, а гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, в результате в дочерних клетках содержится уже гаплоидный набор хромосом, поэтому это деление еще носит название редукционного. Перед вторым делением мейоза репликация ДНК не происходит, и к полюсам веретена отходит по одному варианту хроматиды каждого типа (а не по 2 гомологичных хроматиды как во время митоза). Таким образом из каждой диплоидной клетки-предшественницы потенциально может образоаться по 4 гаплоидных половых клетки. Образовавшиеся половые клетки могут сливаться (копулировать) между собой с образованием зиготы, из который разовьется новый организм. Этот организм унаследует признаки обоих родительских клеток (клеток-предшественниц половых клеток), в то же время он будет обладать иным, чем они сочетанием хромосом, кроме того его хромосомы не будут идентичны ни одной из родительских хромосом (за счет кроссинговера). Итак, главным результатом полового размножения является увеличение генетического разнообразия популяции за счет комбинативной изменчивости.



Рисунок 8. Схема процесса мейоза

Для бактерий характерно так называемое бинарное деление, которое является основным механизмом их бесполого размножения. Бинарное деление напоминает митоз эукариот, но есть и различия.

У бактерий часто сам процесс разделения тела клетки, цитотомия, не связана с окончанием синтеза ДНК, т.к. до наступления клеточного деления может начаться второй или даже третий раунд репликации ДНК. В результате такого беспрерывного синтеза ДНК в быстро растущих культурах на каждую разделившуюся клетку приходится одна кольцевая хромосома на промежуточных стадиях ее дальнейшего удвоения (рис.), т.е. каждая дочерняя клетка сразу после деления уже содержит частично реплицированный геном. При делении бактериальных клеток не происходит особой конденсации ДНК в составе нуклеоида. По мере роста клетки в длину зона нуклеоида после синтеза ДНК увеличивается, а затем делится с помощью специального механизма. Обособление и разъединение двух дочерних хромосом связано с расхождением мест прикрепления хромосом к плазматической мембране, а не с веретеном деления, хотя в последнее время были обнаружены специальные фибриллярные белки, участвующие в сегрегации хромосом бактерий.

§3. Горизонтальный перенос генов



Еще относительно недавно явление переноса генетической информации связывали лишь с передачей ее от родителей к их потомкам (это т.н. вертикальный перенос генов). Только в 1959 году было впервые описано явление передачи организмом генетической информации другому организму, не являющемуся его прямым потомком. Такой процесс был назван горизонтальным переносом генов, и сегодня ему уделяется все больше внимания. Кроме теоретических результатов (объяснение эволюционных процессов) исследования горизонтального переноса связаны с разработкой большого числа современных молекулярно-биологических методов (получение трансгенных организмов). Естественно, что ДНК непосредственно участвует в подобного рода процессах и в дальнейшем более подробно мы будем останавливаться только на стадиях, в которых это участие проявляется.

Впервые горизонтальный перенос был зафиксирован у бактерий, оказалось, что устойчивость (резистентность) одного вида бактерий может при непосредственном контакте передаваться другому. В дальнейшем выяснилось, что такой перенос связан с наличием кроме хромосом у большинства бактерий кольцевых двухцепочечных молекул ДНК, способных к автономной репликации – плазмид. Плазмиды обнаружены у многих бактерий, принадлежащих к разным таксономическим группам. Размер плазмид варьируют от нескольких тысяч до сотен тысяч нуклеотидных пар, и в каждой бактериальной клетке может содержаться до нескольких десятков плазмид. Плазмиды могут нести в себе гены устойчивости к антибиотикам, гены токсинов или гены дополнительных ферментов клеточного метаболизма. Среди плазмид есть так называемые половые факторы или самотрансмиссивные плазмиды, содержащие гены и регуляторные области, необходимые для переноса плазмиды из одной клетки (донора) в другую (реципиент). Эти плазмиды кодируют белки, ответственные за образование специальных ворсинок, половых пилей, которые появляются на поверхности клеток, содержащих плазмиды такого рода, они (эти ворсинки) способны специфически связываться с поверхностью безплазмидных клеток. Последующее сокращение пиля притягивает клетки друг к другу. В это время в определенной точке плазмиды (oriT) происходит одноцепочечный разрыв ДНК. Затем разрезанная цепь раскручивается и 5'-концом переносится через поры в клеточной стенке в клетку-реципиент. Фермент, осуществляющий разрезание и раскручивание цепей ДНК, носит название релаксазы, он кодируется самой плазмидой. В первом сегменте поступающей в клетку реципиента нити ДНК расположены антирестрикционные гены. Эти гены должны транскрибироваться в реципиенте сразу же после своего поступления туда, чтобы обеспечить накопление белков, блокирующих процесс разрушения ДНК рестриктазами. Оставшаяся в клетке донора одноцепочечная нить ДНК реплицируется, а переданная цепь замыкается в кольцо, и на её основе тоже восстанавливается двунитевая структура ДНК плазмиды. Процесс такой передачи плазмиды носит название конъюгации. Некоторые плазмиды не способны к самотрансмиссивности, но способны к передаче в присутствии трансмиссивных плазмид, используя аппарат их конъюгации. Для этого они должны содержать последовательности, аналогичные oriT конъюгативной плазмиды и распознаваемые её релаксазами. Конъюгация может происходить между бактериями разных видов или даже между бактерией и эукариотической клеткой (растительной или грибной). В процессе конъюгации в клетку реципиента могут быть переданы и более значительные части генома донора. Это связано прежде всего с наличием в геноме всех организмов (в том числе и прокариот) подвижных генетических элементов. Как следует из их названия, такие участки ДНК способны к перемещению из одного участка генома в другой – транспозиции. Мобильные генетические элементы (МГЭ) могут быть размером от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч нуклеотидных пар. На концах они, как правило, имеют особые инвертированные повторы, которые играют важную роль в их перемещении. МГЭ обязательно содержат гены, ответственные за транспозицию (один из основных белков, участвующих в транспозиции – это фермент под названием транспозаза). Если МГЭ содержит также гены, не имеющие непосредственного отношения к транспозиции, то их называют транспозонами, в противном случае – это IS-элементы (от англ. insertion sequences – последовательности-вставки). В общем, для транспозонов характерны те же гены, которые имеются в плазмидах. Более того, нередко присутствие в составе плазмиды того или иного гена обусловлено наличием в последовательности плазмидной ДНК соответствующего транспозона. При перемещении МГЭ число его копий может не изменяться – МГЭ при помощи транспозазы просто выщепляется из своего прежнего локуса, а затем встраивается в другое место генома. Существуют также МГЭ при перемещении реплицирующиеся. МГЭ этого типа реплицируется в процессе транспозиции, так что, появляясь в новом участке генома, он в то же время в виде одной из копий остается и в старом участке. Перемещение по такому механизму называется коинтеграция. В случае коинтеграции специальные ферменты делают два одноцепочечных разрыва в разных цепях молекулы ДНК точно по концами МГЭ (инвертированные последовательности как раз указывают ферментам на место, где должен быть произведен разрыв). Кроме того в ДНК мишень тоже вносится ступенчатый разрыв. После этого транспозаза осуществляет лигирование концов одноцепочечных разрывов ДНК-мишени, как показано на рисунке 9.


Рисунок 9. Коинтегративная транспозиция

Образовавшаяся структура есть не что иное, как две направленные навстречу друг другу репликативные вилки. Репликация за счет клеточного репликативного аппарата приведет к удвоению МГЭ и, если транспозон и дНК-мишень находились на разных кольцевых молекулах ДНК, к образованию коинтеграта. Чтобы произошло разделение коинтеграта (а это происходит не всегда) на исходные молекулы ДНК (один из которых приобрел бы новую копию мобильного элемента), необходимо действие фермента, называемого резолвазой. В обоих случаях встраивание МГЭ в геном происходит по механизму сайт-специфической рекомбинации со ступенчатым разрывом ДНК, так что прямые повторы обычно с двух сторон фланкируют МГЭ. МГЭ могут при конъюгации передаваться другим клеткам, если они встроены в трансмиссивную или мобилизируемую плазмиду. Кроме того МГЭ обеспечивают возможность некоторым плазмидам встраиваться в хромосому бактерии. Это происходит (правда достаточно редко), когда МГЭ, находящийся в плазмиде встраивается (плазмиды, обладающие такой способностью называются эписомами) в хромосому с образованием коинтеграта. Если встроившаяся в хромосому плазмида является трансмиссивной, то при конъюгации реципиенту передаётся не только плазмида, но и хромосомный материала донора. В этом случае процесс затягивается на часы, часто происходит разрыв передаваемой нити ДНК. Попавшая в клетку реципиента хромосома (или часть хромосомы) донора может встраиваться в собственную ДНК по механизму гомологичной рекомбинации, образовавшаяся при этом одноцепочечная ДНК расщепляется ДНКазами реципиента. В процессе такой конъюгации образуется хромосома с новой комбинацией генов, в этом смысле она напоминает половой процесс эукариот (хотя ни мейоза, ни следующего за ним слияния гамет не происходит), поэтому его тоже часто называют половым процессом.

И, наконец, последний тип горизонтального переноса генов, общий для бактерий и эукариот носит название трансдукции. Трансдукция – это перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса. В большей степени трансдукция характерна для бактериальных клеток. Различают два типа трансдукции: общую и специфическую. В любом случае это явление связано с тем, что выходящая из генома вирусная ДНК может случайно захватывать с собой участки ДНК хозяина, и тогда в вирусной оболочке она может переноситься в другую клетку (реципиент). Как и после конъюгации, ДНК, попавшая в организм реципиента, может входить в его геном посредством гомологичной рекомбинации.

Своеобразным способом горизонтальной передачи генетической информации является симгенез. Симгенез – это образование новых организмов посредством объединения геномов дальнородственных организмов. Сейчас уже достоверно подтверждено, что симгенез сыграл важную роль в ранней эволюции эукариот. Считается общепризнанным, что предок современных эукариотических клетка возник путем эндосимбиоза древней ядерной анаэробной безмитохондриальной клетки с организмом близким к современным пурпурным бактериям. Эти симбионты в дальнейшем потеряли свою независимость и сегодня их считают лишь органеллами и называют митохондриями. Кроме того, многие таксоны протистов и зеленые растения появились в результате симбиоза с фотосинтезирующими организмами (цианобактерими, красными водорослями и т.д.). Такие эндосимбионты дали начало пластидам.

В целом с каждым годом интерес к горизонтальному переносу геномв растет, как и сознание того, сколь значимую роль он сыграл в эволюции и как важен в жизни современной биосферы.

Заключение



Итак, ДНК является главной молекулярной носительницей генетической информации в живой природе. Одно из основных свойств живого – самовоспроизведение – связано с репликацией ДНК. Структура ДНК идеально подходит для эффективной репликацмм, в чем мы убедились.

Как было показано в работе, за миллионы лет эволюции выработались особые механизмы репликации ДНК, повышающие разнообразие геномов, что в свою очередь ускоряет адаптацию организмов к изменяющимся условиям внешней среды. Примером тому могут стать бактерии – одни из самых эволюционно пластичных организмов. Эта «пластичность» обусловлена именно их способностью к горизонтальному переносу генов и рекомбинации.

Надо признать, что оказалось невозможным охватить даже в самых общих чертах такую широкую тему, потому одни явления были упущены, другие –сознательно вынесены за рамки данной работы. Несмотря на это, в работе дана общая картина процессов, обуславливающих передачу генетической информации. Эта не очень детальная картина может стать плацдармом для дальнейшего изучения молекулярно-генетических процессов.

Список литературы




1. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. Пер. с англ. – М.: Мир, 1994.

2. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология. – М.: Издательский центр «Академия», 2005.

3. Общая биология. // Высоцкая Л.В., Глаголев С.М., Дымшиц Г.М. и др.; под ред. Шумного В.К. и др. – М.: Просвещение, 2004.

4. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: В 3-х т. Пер с англ. – М.: Мир, 2005.

5. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.



Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации