Молекулярна структура на еукариотния генетичен материал Количествени характеристики на еукариотния геном

Основната количествена характеристика на еукариотния генетичен материал е наличието на излишък от ДНК. Този факт лесно се разкрива при анализ на съотношението между броя на гените и количеството ДНК в генома на бактериите и бозайниците. Ако средният размер на бактериален ген е 1500 базови двойки (bp), а дължината на кръговата ДНК молекула на хромозомата на Е. coli и B. subtilis е около 1,1 μm, тогава такава хромозома може да побере около 3000 гена. Приблизително този брой гени е експериментално определен в бактериите от броя на типовете иРНК. Ако този брой се умножи по средния размер на гена, тогава се оказва, че около 95% от бактериалния геном се състои от кодиращи (генни) последователности. Останалите 5% изглежда са заети от регулаторни елементи. Различна картина се наблюдава при еукариотните организми. Например, човек има приблизително 5x10 4 гена (което означава само общата дължина на кодиращите ДНК области - екзони). В същото време размерът на човешкия геном е 3x10 9 bp. Това означава, че кодиращата част от неговия геном е само 15-20% от общата ДНК. Има значителен брой видове с геном, десетки пъти по-голям от човешкия геном, например някои риби, опашати земноводни, лилии. Прекомерната ДНК е често срещана при всички еукариоти. В тази връзка е необходимо да се подчертае двусмислието на термините генотип и геном. Под под генотип трябва да се разбира набор от гени, които имат фенотипна проява, докато понятието геном обозначава количеството ДНК, което е в хаплоидния набор от хромозоми на даден вид.

Нуклеотидни последователности в еукариотния геном

В края на 60-те години трудовете на американските учени Р. Бритън, Е. Дейвидсън и други откриват фундаментална характеристика на молекулярната структура на еукариотния геном - нуклеотидни последователности с различна степен на повторяемост. Това откритие е направено с помощта на молекулярно-биологичен метод за изследване на кинетиката на денатурирана ДНК ренатурация. В еукариотния геном има следните фракции:

Уникален, т.е. последователности, представени в едно копие.

Междинни или средночестотни повторения - последователности, повтарящи се десетки или стотици пъти.

Високочестотни повторения, броят на които достига 10 6 (на геном).

Повторенията образуват така наречените семейства, които се разбират като набор от последователности, които са напълно или предимно хомологични помежду си.

Често поради значителни разлики в нуклеотидния състав на високочестотни повторения и останалата част от ДНК, първата форма, по време на центрофугиране в градиент на плътността на цезиев хлорид, така наречените сателитни пикове, които имат по-висока или по-ниска плаваща плътност отколкото останалата част от ДНК. Тази част от генома е представена от малък (10-15) брой семейства с кратки (5-12 bp) повторения, които образуват разширени блокове. В рамките на блоковете групи от повторения на отделни семейства могат да се редуват помежду си, така че сателитната ДНК да има някаква локусна структура. Хибридизацията на фракции на високочестотни последователности с ДНК директно върху хромозомни препарати направи възможно да се установи, че тази фракция на генома е локализирана в области на конститутивен хетерохроматин, най-често перицентромерен или теломерен. Още през 30-те години беше показано, че генетично тези области са инертни, т.е. не съдържат гени. В действителност такива малки последователности, които изграждат сателитна ДНК, не могат да кодират нищо друго освен олигопептиди. Освен това хетерохроматичните региони не се транскрибират. По този начин, в случай на високочестотни ДНК последователности, се установява идентичността на молекулярната организация и генетичните свойства на хромозомната ДНК на еукариотите. Трябва да се отбележи, че тази фракция в по-голямата част от видовете заема не повече от 10% от генома. Близкородните видове, например мишката и плъхът, имат различни високочестотни последователности; при плъховете техният нуклеотиден състав не се различава от основната ДНК, докато геномът на мишката съдържа ясен AT-богат сателит. Това означава, че високочестотната ДНК е способна на бързи промени по време на видообразуването.

Останалите 90% от еукариотния геном, неговата евхроматична част, е изграден на принципа на редуване (интерсперсия) на уникални и повтарящи се последователности. Обикновено има два основни типа интерсперсии, кръстени на видовете, в които са описани за първи път:

интерсперсия от типа „ксенопус” (открит в Xenopus laevis);

Drosophila interpersrsion (за първи път описано в D. melanogaster).

Приблизително 50% от генома на Xenopus laevis има уникални последователности от 800-1200 bp. редувайте с повтарящи се, средният размер на които е 300 bp. В останалите геноми от типа "ксенопус" разстоянието между съседни повторения значително надвишава 1-2 bp. Структурата на генома от типа "ксенопус" е широко разпространена, особено сред животните. Бозайниците и хората също принадлежат към този тип геномна организация. Характеристика на генома на човека и други примати е разпръснатите високочестотни повторения с дължина около 300 bp. При хората тези повторения съдържат място, разцепено от рестрикционния ензим Alu I. Броят на Alu-подобни повторения в човешкия геном достига 5x10 5, а според някои данни дори 10 6 .

Алуподобните последователности на приматите са частично дублиране (удвояване) на BI последователността в генома на гризачите, описано за пръв път от Г. П. Георгиев и неговите сътрудници.

При D. melanogaster параметрите на интерсперсия рязко се различават от тези с геномния тип „ксенопус“: повтарящи се последователности с дължина 5600 bp. редувайте с уникални, чиято дължина е не по-малка от 13000 bp. Интересно е да се отбележи, че геномът на домашната муха е структуриран като „ксенопус“. Този факт директно показва, че в хода на еволюцията са възможни и много бързи трансформации на естеството на редуване на последователности в еухроматичната част на генома. По отношение на параметрите на разсейване, птиците заемат междинно положение между двата типа. Както показват резултатите от последните проучвания, много видове животни и растения от гледна точка на организацията на генома не могат да бъдат строго определени за нито един от двата типа. Така че в геномите на бозайници се откриват дълги повторения - няколко хиляди базови двойки, в геномите на лилия до 90% от ДНК могат да бъдат представени чрез повтарящи се последователности. Например, ореховият геном не съдържа уникални последователности с дължина над 300 bp.

Друга характеристика на повтарящите се последователности в еукариотните геноми са обърнати повторения или палиндроми. При условия на ренатурация те почти моментално образуват дуплексни структури. По същество палиндромите са част от междинни повторения. Въпреки това, някои високочестотни повторения в еуроматичната част на генома, например членове на семействата Alu, могат да се появят както в изправено, така и в обърнато положение. Понякога други последователности се вклиняват между обърнати повторения.