Volume1
.pdf
Часть II Основные генетические механизмы
Главы
4.ДНК, хромосомы и геномы
5.Репликация, репарация и рекомбинация ДНК
6.Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК
к белку
7.Контроль генной экспрессии
4
ДНК, хромосомы и геномы
Жизнь зависит от способности клеток хранить, извлекать и переводить генетические инструкции, необходимые для создания и поддержания живого организма. Эта наследственная информация передается от клетки клетке при клеточном делении и от организма организму через репродуктивные клетки. Такие инструкции сохраняются внутри всех живых клеток в виде их генов — содержащих информацию элементов, которые определяют как признаки вида в целом, так и особенности отдельных его представителей.
Как только генетика возникла как наука в начале XX столетия, ученые увлеклись поисками химической структуры генов. На протяжении жизни многоклеточного организма наполняющая гены информация копируется и передается от материнской клетки ее дочерним клеткам миллионы раз и переносится практически неизмененной. Какой формы молекула могла бы быть способна к столь точной и почти неограниченной репликации и вместе с тем могла бы направлять развитие организма и предопределять повседневную жизнь клетки? Какого рода предписания несет в себе генетическая информация? Каким образом может огромное количество информации, необходимой для развития и поддержания организма, помещаться в крошечном пространстве клетки?
Ответы на некоторые из этих вопросов начали прорисовываться в 1940-х гг. В это время в ходе изучения простых грибов исследователи открыли, что генетическая информация состоит преимущественно из рецептов приготовления белков. Белки — это макромолекулы, которые выполняют большинство функций клетки: они служат стандартными блоками для построения клеточных структур и образуют ферменты, которые катализируют химические реакции клетки (глава 3), они регулируют экспрессию генов (глава 7), а также позволяют клеткам сообщаться друг с другом (глава 15) и двигаться (глава 16). Свойства и функции клетки в значительной степени определяются белками, которые она способна производить. Если мысленно перемахнуть через пласты научных открытий, вздымающиеся между прошлым и настоящим, то трудно будет вообразить еще какие-либо инструкции сверх этих, могущие содержаться в генетической информации.
Усердные наблюдения над клетками и эмбрионами в конце XIX-го столетия привели к пониманию того, что наследственную информацию несут на себе хромо- сомы — нитевидные структуры в ядре эукариотической клетки, которые становятся видимыми с помощью световой микроскопии, когда клетка начинает делиться (рис. 4.1). Позже, когда стал возможен биохимический анализ, было установлено, что хромосомы состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белка. В течение многих десятилетий считалось, что ДНК попросту является структурным элементом. Однако следующей вехой научного прогресса, поставленной в 1940 е гг., было признание ДНК в качестве вероятного носителя генетической информации. Этот скачок в нашем понимании клеток был совершен благодаря исследованиям механиз-
300 Часть 2. Основные генетические механизмы
Рис.4.1.Хромосомывклетках.а)Двесмежныеклетки растения, сфотографированные в оптический микроскоп. ДНК была окрашена флуоресцентным красителем(DAPI1),которыйсвязываетсясней.ДНКнаходится вхромосомах,которыестановятсявидимымикакобособленныеструктурывсветовоммикроскопетолькотогда, когдаонипревращаютсявкомпактные,имеющиеформу сосисокструктурывходеподготовкикделениюклетки, что показано в левой части изображения. Помещенная справа клетка, которая не делится, содержит идентичные хромосомы, но их невозможно отчетливо различитьвсветовоммикроскопенаэтойстадиижизненного цикла, потому что они находятся в более развернутой конформации.б)Схематическоеизображениеочертаний этих двух клеток и находящихся в них хромосом. (ИзображениеалюбезнопредоставленоPeterShaw.)
мов наследования у бактерий (рис. 4.2). Но в начале 1950-х гг. все еще казалось полной загадкой и то, каким образом белки могли определяться инструкциями, заложенными
в ДНК, и то, как эта информация могла бы копироваться для передачи от клетки к клетке. Эта загадка была неожиданно разгадана
в 1953 г., когда структура ДНК была верно предсказана Джеймсом Уотсоном
иФрэнсисом Криком. Как было упомянуто в главе 1, двухцепочечная структура ДНК тотчас же решила задачу о том, как информация в этой молекуле могла бы копироваться, или реплицироваться. Она также дала первые ключи к решению вопроса о том, как молекула ДНК может использовать последовательность своих субъединиц для кодирования инструкций по изготовлению белков. Сегодня тот факт, что генетическим материалом является ДНК, настолько фундаментален для биологической мысли, что трудно оценить тот огромный пробел в наших представлениях о наследственности, который был заполнен благодаря этому открытию.
Эту главу мы начинаем с описания структуры ДНК. Мы увидим, как, несмотря на химическую простоту, структура и химические свойства ДНК делают ее идеально подходящей в качестве исходного материала для генов. После этого мы познакомимся с тем, как многочисленные белки в хромосомах приводят в порядок
иупаковывают эту ДНК. Упаковка должна быть упорядоченной – такой, чтобы хромосомы могли реплицироваться и правильно распределяться между двумя дочерними клетками при каждом делении материнской клетки. Она должна также обеспечивать доступ к хромосомной ДНК тем ферментам, которые восстанавливают ее, когда она повреждена, и тем специализированным белкам, которые направляют экспрессию всего множества ее генов. Нам предстоит увидеть и то, как упаковка ДНК изменяется по всей длине каждой хромосомы у эукариот, и как в особенностях укладки ДНК может сохраняться ценная летопись истории развития клетки.
За последние два десятилетия произошли кардинальные изменения в нашей способности определять точную последовательность субъединиц в молекулах ДНК.
1 4,6-диамино-2-фенилиндолдигидрохлорид. — Прим. пер.
Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 301
Рис. 4.2. Первое экспериментальное подтверждение того, что именно ДНК является генетическим материалом. Эти эксперименты, проведенные в 1940-х гг., показали, что добавление очищенной ДНК к бактерии изменяет ее свойства и что это изменение в точности передается последующим поколениям. Два близкородственных штамма бактерии Streptococcus pneumoniae отличаются друг от друга иповнешнемувидуподмикроскопом,ипопатогенности.Одинштаммвыглядитгладким(S)ивызывает смерть,будучивведенворганизммыши,адругойвыглядитшероховатым(R)инесмертелен(термины «гладкий» и «шероховатый» характеризует вид колоний — прим. ред.). а) Исходный эксперимент показывает, что в штамме S присутствует некое вещество, способное изменить (или трансформировать) штамм R в штамм S, и что это изменение наследуется последующими поколениями бактерий. б) Этот эксперимент,входекоторогоштаммRвыдерживалсясразличнымиклассамибиомолекул,выделенных изштаммаS,показал,чтоэтимвеществомявляетсяДНК.
В результате этого мы теперь знаем порядка 3 миллиардов субъединиц ДНК, в которых заложена информация о формировании взрослого человека из оплодотворенной яйцеклетки, равно как и последовательности ДНК тысяч других организмов. Подробный анализ этих последовательностей выявил захватывающие сведения о процессе эволюции, и именно этой темой и завершается данная глава.
Это первая из четырех глав, которые мы посвятили основным генетическим механизмам, посредством которых клетка поддерживает, копирует, выражает, или экспрессирует, а иной раз и улучшает генетическую информацию, содержащуюся в ее ДНК. В этой главе представлен широкий обзор структуры ДНК и принципа ее упаковки в хромосомы. В следующей главе (глава 5) мы рассматриваем
302 Часть 2. Основные генетические механизмы
механизмы, при помощи которых клетка точно реплицирует и восстанавливает ДНК; мы описываем также процесс генетической рекомбинации, в ходе которого последовательности ДНК могут перестраиваться. Экспрессия генов — процесс, через который информация, закодированная в ДНК, интерпретируется клеткой для проведения синтеза белков, — является главной темой главы 6. В главе 7 мы описываем, как такая экспрессия генов управляется клеткой, чтобы гарантировать, что каждый из многих тысяч белков и молекул РНК, зашифрованных в ее ДНК, будет «изготовлен» только в надлежащее время и в нужном месте на всем протяжении жизненного цикла клетки.
4.1. Структура и функция ДНК
В 1940-е гг. биологам было трудно представить, каким образом ДНК могла быть генетическим материалом ввиду очевидной простоты ее химического строения. К тому времени было известно, что ДНК представляет собой длинный полимер, состоящий из субъединиц всего лишь четырех типов, которые к тому же обладают схожими химическими характеристиками. В начале 1950-х гг. ДНК была исследована при помощи рентгеноструктурного анализа — методики определения трехмерной атомной структуры молекулы (обсудим ее в главе 8). Первые результаты рентгеновского анализа показали, что ДНК состоит из двух полимерных нитей, закрученных в спираль. Тот факт, что ДНК является двухцепочечной молекулой, имел решающее значение и послужил одним из главных ориентиров, которые в своей совокупности привели Уотсона и Крика к созданию модели структуры ДНК. Но только когда эта модель была предложена в 1953 г., стал очевиден потенциал ДНК для репликации и кодирования информации. В этом параграфе мы изучим структуру молекулы ДНК и объясним в общих чертах, что дает ей возможность хранить наследственную информацию.
4.1.1. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей нуклеотидов
Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) образована двумя длин-
ными полинуклеотидными цепями, состоящими из нуклеотидных субъединиц четырех типов. Каждая из таких цепей известна как цепь ДНК, или нить ДНК. Водородные связи между входящими в состав нуклеотидов основаниями скрепляют эти две цепи друг с другом (рис. 4.3). Как мы увидели в главе 2 (приложение 2.6, стр. 182–183), нуклеотиды состоят из пятиуглеродного сахара, к которому присоединены одна или несколько фосфатных групп и азот-содержащее основание. В случае нуклеотидов ДНК сахар представлен дезоксирибозой, а к ней присоединена одна фосфатная группа (отсюда название «дезоксирибонуклеиновая кислота»), а в качестве основания может выступать аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) или тимин (T). Нуклеотиды ковалентно связаны друг с другом в цепь через сахара и фосфаты, которые, соответственно, образуют «основную цепь» из чередующихся звеньев –сахар–фосфат–сахар–фосфат–. Поскольку субъединицы этих четырех типов отличаются только основанием, каждая полинуклеотидная цепь в ДНК походит на ожерелье (основная цепь) из нанизанных бусин четырех типов (четыре основания A, C, G и T). Эти же символы (A, C, G и T) обычно употребляются также и для обозначения четырех различных нуклеотидов, то есть оснований с присоединенными к ним сахарными и фосфатными группами.
Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 303
Рис. 4.3. Цепь ДНК и ее элементарные звенья. ДНК состоит из нуклеотидов четырех типов, которые ковалентносвязанывполинуклеотиднуюцепь(нитьДНК),отсахарофосфатногоостовакоторойотходят всторонуоснования(A,C,GиT).МолекулаДНКсостоитиздвухнитейДНК,скрепленныхдругсдругом водороднымисвязямимеждуспареннымиоснованиями.СтрелкиприконцахцепейДНКпоказывают ихполярность,изчегоможновидеть,чтоцепивмолекулеДНКантипараллельны.НасхемевлевомнижнемуглурисункамолекулаДНКпоказанавыпрямленной;вдействительностионазакрученавдвойную спираль,показаннуюсправа.Нарис.4.5тажеструктураизображенаподробнее.
Способ, которым нуклеотидные субъединицы соединены друг с другом, придает нити ДНК химическую полярность. Если представить каждый сахар как блок с выдающимся штырьком (5′-фосфат) на одной стороне и с гнездом (3′-гидроксил) на другой (см. рис. 4.3), то в любой завершенной цепи, образованной путем сочленения штырьков с гнездами, все субъединицы будут выстроены в ряд в одной и той
304 Часть 2. Основные генетические механизмы
же ориентации. Более того, оба конца такой цепи будут легко различимы, поскольку на краю одного будет зиять свободное гнездо (3′-гидроксил), а на оконечности другого — торчать штырек (5′-фосфат). При ссылках на такого рода полярность в цепи ДНК один конец называют 3′-концом, а другой — 5′-концом.
Трехмерная структура ДНК — двойная спираль — обусловлена химическими и структурными особенностями двух ее полинуклеотидных цепей. Так, обе эти цепи скрепляются вместе водородными связями между находящимися друг против друга основаниями из различных нитей, при этом все основания находятся во внутренней части двойной спирали, а сахарофосфатные основные цепи располагаются с внешней ее стороны (см. рис. 4.3). Во всех случаях более громоздкое двуциклическое основание (пурин; см. приложение 2.6, стр. 182–183) спаривается с меньшим по «габаритам» одноциклическим основанием (пиримидином); А всегда образует пару с T, а G — с C (рис. 4.4). Такое комплементарное спаривание оснований
позволяет природе упаковывать пары оснований в энергетически наиболее благоприятном расположении – в сердцевине двойной спирали. При таком раскладе каждая пара оснований имеет практически одинаковую ширину, благодаря чему
Рис.4.4.КомплементарныепарыоснованийвдвойнойспиралиДНК.Формыихимическаяструктура основанийобеспечиваютэффективноеобразованиеводородныхсвязейтолькомеждупарамиоснований А–T и G–C; при этом атомы, которые способны образовывать водородные связи (см. приложение 2.3, стр.176–177),могутбытьсведенынаблизкоедруготдругарасстояниебезискажениядвойнойспирали. Какпоказано,междуАиTобразуютсядвеводородныесвязи,тогдакакмеждуGиCобразуетсятрисвязи. Основания могут спариваться подобным образом, только если обе полинуклеотидные цепи, которые ихсодержат,антипараллельныдругдругу.
Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 305
Рис. 4.5. Двойная спираль ДНК. а) Объемная модель полутора витков двойной спирали ДНК. Каждый витокДНКсостоитиз10,4парнуклеотидов,арасстояниемеждуцентрамисмежныхпарнуклеотидов— 0,34 нм. В результате обвития обеих цепей друг вокруг друга по двойной спирали бегут две бороздки: болееширокуюбороздкуназываютбольшойбороздкой,аменьшую—малойбороздкой.б)Короткий отрезокдвойнойспирали,показанныйсбоку,охватываетчетырепарыоснований.Нуклеотидыковалент- носвязанымеждусобойпосредствомфосфодиэфирныхсвязей,которыесоединяют3'-гидроксильную группу (–ОН) одного сахара с 5'-фосфатной группой следующего сахара. Таким образом, каждая из полинуклеотидных цепей обладает химической полярностью, то есть два ее конца химически различны. 5'-конец полимера ДНК в соответствии с общепринятой системой обозначений часто изображают сфосфатнойгруппой,ана3'-концепоказываютгидроксил.
сахарофосфатные основные цепи удерживаются на равном расстоянии одна от другой на всем протяжении молекулы ДНК. Ради пущего умножения эффективности упаковки пар оснований обе сахарофосфатные основные цепи закручиваются друг вокруг друга и образуют двойную спираль с одним полным витком на каждые десять пар оснований (рис. 4.5).
Члены каждой пары оснований могут совместно уместиться в пределах сечения двойной спирали, только если обе цепи спирали будут антипараллельны, то есть если полярность одной нити ориентирована противоположно полярности другой нити (см. рис. 4.3 и 4.4). Вследствие этих требований к спариванию оснований нуклеотидная последовательность каждой из двух цепей молекулы ДНК является в точности комплементарной последовательности нуклеотидов второй свитой с нею цепи.
4.1.2. В структуре ДНК заложен сам механизм наследственности
Гены несут биологическую информацию, которая должна точно копироваться для передачи следующему поколению каждый раз, когда клетка делится с образо-
306 Часть 2. Основные генетические механизмы
ванием двух дочерних клеток. Исходя из этих требований возникают два ключевых вопроса биологии: каким образом информация, необходимая для описания строения организма, может кодироваться в химической форме и каким образом она может быть точно скопирована? Открытие структуры двойной спирали ДНК явилось путеводной вехой для биологии XX столетия, потому что оно дало прямые ответы на оба вопроса и таким образом объяснило молекулярную основу наследственности. В этом параграфе мы кратко обсуждаем эти ответы, но в последующих главах книги исследуем их намного скрупулезнее.
Информация в ДНК закодирована собственно порядком следования, или последовательностью нуклеотидов в обеих цепях. Каждое основание: A, C, T или G — можно рассматривать как букву четырехсимвольного алфавита, которым описываются биологические сообщения, заложенные в химической структуре ДНК. Как мы увидели в главе 1, организмы отличаются один от другого потому, что их соответствующие молекулы ДНК имеют различные последовательности нуклеотидов и, следовательно, несут различные биологические сообщения. Но как алфавит нуклеотидов используется для составления таких сообщений, и что в них написано?
Как обсуждалось выше, задолго до того, как определили структуру ДНК, было известно, что гены содержат инструкции для производства белков. Отсюда ясно, что сообщения, записанные в ДНК, тем или иным образом кодируют белки (рис. 4.6). Эта связь сразу же облегчает поиск ответа на вышеозначенный вопрос. Как было сказано в главе 3, свойства любого белка, которые определяют его биологическую функцию, обусловлены его трехмерной структурой. Эта структура определяется,
всвою очередь, линейной последовательностью аминокислот, из которых он состоит. Поэтому линейная последовательность нуклеотидов в гене должна так или иначе описывать линейную последовательность аминокислот в белке. Структура ДНК не говорит прямо о существовании точного соответствия между четырехбуквенным алфавитом нуклеотидов ДНК и двадцатибуквенным алфавитом аминокислот белков — генетического кода, — и прошло десятилетие после открытия двойной спирали, прежде чем его удалось установить. В главе 6 мы опишем этот код подробно в ходе разбора процесса, известного под названием экспрессии генов, посредством которого клетка преобразует нуклеотидную последовательность гена сначала в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, а затем в аминокислотную последовательность белка.
Полный набор информации в ДНК организма называют его геномом, и он несет
всебе информацию обо всех белках и молекулах РНК, которые организм когдалибо будет синтезировать. (Термин «геном» употребляется также и для описания ДНК, которая несет эту информацию.) Количество информации, содержащейся
вгеномах, колеблется: например, типичная
диплоидная клетка человека содержит 2 метра двойной спирали ДНК. Засписанная в виде четырехбуквенного нуклеотидного алфавита, последовательность нуклеотидов одного очень маленького гена человека за-
Рис. 4.6. Связь между генетической информацией, заложенной в ДНК, и белками (было рассмотрено вглаве1).
Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 307
Рис.4.7.Нуклеотиднаяпоследовательностьгенаβ-глобиначело-
века. Последовательность нуклеотидов принято записывать в на- правленииот5'-концак3'-концуиееследуетчитатьслеванаправо построчно сверху вниз страницы, как если бы это был обычный текст. Этот ген несет в себе информацию об аминокислотной последовательности одного из двух типов субъединиц молекулы гемоглобина—белка,которыйпереноситкислородвкрови.Иной ген—α-глобина—несетинформациюодругоготипасубъединице гемоглобина(молекулагемоглобинаимеетчетыресубъединицы, подвекаждогоизэтихтипов).Показанатолькооднаиздвухнитей двойной спирали ДНК, содержащая ген β-глобина; другая нить имеет в точности комплементарную последовательность. Последовательности ДНК, выделенные желтым фоном, показывают триобластигена,определяющиеаминокислотнуюпоследовательность белка β-глобина. Нам еще предстоит увидеть в главе 6, как клетка сращивает эти три последовательности вместе на уровне информационной РНК, с тем чтобы синтезировать полномерный белокβ-глобина.
нимает четверть страницы текста (рис. 4.7), тогда как полная последовательность нуклеотидов генома человека заполнила бы более тысячи книг размером с эту. В дополнение к важной информации другого рода, она несет инструкции примерно для 24 000 различных белков.
При каждом делении клетка должна копировать содержащийся в ней геном, чтобы передать его обеим дочерним клеткам. Открытие структуры ДНК раскрыло также и принцип, благодаря которому такое копирование становится возможным: поскольку каждая из нитей ДНК содержит последовательность нуклеотидов, которая является точно комплементарной последовательности нуклеотидов спаренной с нею нити, каждая из них может служить матрицей, или шаблоном, для синтеза новой комплементарной нити. Другими словами, если мы обозначим две нити ДНК как S и S′, то нить S может служить матрицей для изготовления новой нити S′, а нить S′ может служить матрицей для создания новой нити S (рис. 4.8). Таким образом, заключенная в ДНК генетическая информация может быть точно скопирована до гениальности простым процессом, в ходе которого нить S отделяется от нити S’ и каждая из отделившихся нитей затем служит матрицей для производства новой комплементарной нити-напарницы, которая является идентичной прежней партнерше.
Способность каждой из цепей молекулы ДНК выступать в качестве матрицы для «производства» комплементарной цепи позволяет клетке копировать,