Как ген, хромосома и клетка противодействуют среде и избегают гибели

Реферат

"Как ген, хромосома и клетка противодействуют среде и избегают гибели"

Открытие ферментативных функций РНК

Еще в 1965 г. Рич высказал мнение, что до возникновения генетического кода в его современной форме роль примитивной рибосомы играла крупная молекула РНК. Ее поверхность могла использоваться для конденсации цепи мРНК с более мелкими молекулами РНК, к которым были присоединены аминокислоты или другие молекулы. Согласно Ричу, этот примитивный механизм мог функционировать как первичный конвейер для сборки полиаминокислот. Открытие, что сама РНК обладает ферментативными свойствами, делает это предположение весьма вероятным. Как утверждает Гилберт, в начальный период эволюции клетки белковые ферменты были ей не нужны. Синтез новой молекулы РНК из предшественников и РНК-матрицы могли катализировать РНК-ферменты, называемые рибозимами. С самого начала эволюции клетки молекулы РНК выполняли каталитические функции, что было необходимо для самосборки этих молекул из нуклеотидного "бульона". Просто они делали это медленнее, чем белковые ферменты, появившиеся позднее и лишь значительно повысившие скорость протекания в клетке реакций.

Полисахариды выполняют в клетке функции, ранее приписывавшиеся генам.

Не следует забывать, что в молекулах ДНК и РНК имеется сахарофосфатный остов. Следовательно, они не могли появиться в клетке до того, как образовались полисахариды. А из этого вытекает, что ДНК и РНК уже зависят от той упорядоченности, которая свойственна организации сахаров и их функциям.

Кроме того, теперь выясняется, что моносахариды способны, подобно нуклеотидам и аминокислотам, служить кодовыми словами молекулярного языка клетки. Специфичность многих природных соединений записана в моносахаридах, в которых слова образуются путем вариации типов используемых сахаров, характера их связей и точек ветвления.

1. Чистые полисахариды могут выступать в роли антигенов и нести специфическую иммунологическую информацию. Галактоза служит маркером, детерминирующим время жизни многих сывороточных гликопротеинов в крови млекопитающих.

2. Узнавание клеток обеспечивается находящимися на клеточной поверхности сахарами, которые служат рецепторами.

С помощью многих полисахаридов чисто химическим путем осуществляется ряд клеточных процессов, которые прежде связывали с продуктами генов.

Как ДНК противодействует среде

Физико-химические процессы, в которых участвуют макромолекулы, уже так жестко определены и так прочно сопряжены в циклах взаимодействия с другими макромолекулами, что влияние на них внутренней среды клетки, а тем более среды, окружающей клетку или организм в целом, затруднено.

Что касается ДНК, то наилучшим примером служит процесс ее репарации. Если в молекулу ДНК включаются основания таким образом, что при этом разрушается ее первоначальная организация, то немедленно проявляется четко выраженная канализация. Молекула способна к репарации нанесенного ей повреждения, причем ее первоначальная структура полностью восстанавливается. Так поддерживается жесткая химическая канализация.

Однако самое существенное состоит в том, что ДНК не способна производить репарацию сама по себе: за этот процесс ответственна определенная группа белков. Из этого видно, как при зарождении клеточной организации возникли взаимозависимость и тесная связь главных макромолекул друг с другом.

Ген представляет собой настолько высокоразвитую структуру, что он способен избегать воздействий среды многими способами. Благодаря своей высокоспециализированной организации он эволюционирует по собственным каналам.

1. Изменения генетического кода не всегда ведут к изменениям аминокислотной последовательности того продукта, синтез которого данный ген кодирует. Вследствие вырожденности кода не всякая мутация сопровождается заменой аминокислоты, определяемой данным триплетом; это бывает в том случае, когда исходный и мутантный триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту. Следовательно, передача и закрепление мутации этого типа в каком-либо белке определяются физико-химической организацией ДНК, которая "заморозила" код в вырожденном состоянии.

2. Псевдогены – это гены, имеющие такие же нуклеотидные последовательности, как и нормальные гены, но оставшиеся по причине незначительной молекулярной модификации молчащими, т.е. нефункционирующими. Примером служат гены 5S-PHK. Псевдогены встречаются также у человека, например гены псевдо-дзэта-глобина и псевдо-бета-глобина. Псевдогены представляют собой "замаскированные" гены, которые при определенных условиях могут защищать нормальные гены.

3. Сходную категорию составляют гены, присутствующие в генотипе в качестве полноценных функциональных единиц, но не функционирующие вследствие репрессии. К этой группе принадлежат рибосомные гены, которые могут быть выявлены путем гибридизации ДНК–ДНК. Репрессия осуществляется на молекулярном уровне.

4. Существуют гены, которые в норме обладают лишь одним специфическим свойством, но при поступлении сигнала со стороны какого-либо компонента хромосомы могут изменить свою функцию. Таким образом они замещают другие участки хромосомы, выполняя их функции. Примером служат теломеры, которые могут принять на себя функцию центромер в случае внесения в хромосомный набор гетерохромного участка.

5. Все гены "обманывают отбор" благодаря своей жесткой внутренней организации и постоянным взаимодействиям с другими участками ДНК, регулирующими их функцию, однако некоторые гены делают это более явным образом. Кроу изучал один из генов дрозофилы, которому он приписал такое действие, поскольку этот ген вызывает в мейозе отклонения, приводящие к нарушению отношения при расщеплении. Выживание хромосом после мейоза регулируется генетически. Нарушение расщепления вызывает некий ген S, изменяющий отношение 50:50 на отношение 99:1. Ген S находится в хромосоме II, но создает этот эффект лишь при совместном действии с другими генами. Кроу пришел к выводу, что этот ген "обманывает отбор", поскольку, изменяя отношение при расщеплении, он оказывается представленным в большем числе, чем его аллель, локализованный в гомологичной хромосоме. Кроме того, Кроу полагает, что взаимодействие между тремя генами осуществляется при посредничестве химической информации. Следовательно, дифференциальное расщепление происходит не в результате какого-то абстрактного отбора на организменном уровне, но определяется организацией и взаимодействием генов, под жестким диктатом физико-химических правил, строго контролирующих формирование генов.

6. Бриттен и Кон одними из первых осознали неспособность отбора действовать на хромосомном уровне на множественные копии генов. Они показали, что последовательности ДНК в сотнях тысяч копий включались в геномы высших организмов и становились составными частями их хромосом. Они были вынуждены признать, что: "Динамика отбора в отношении этого набора генов должна в корне измениться. Вследствие огромного числа копий их элиминация может оказаться неосуществимой".

7. У полиплоидов мутации остаются неприкосновенными. Полиплоиды возникают в результате умножения всего генома с его полным набором хромосом, происходящего в один или несколько этапов. Таким образом, полиплоид может накапливать мутации, "неповрежденные" отбором, на что уже указывал Оно. Дальнейшие исследования еще больше прояснили эту ситуацию. При образовании полиплоидов новые дуплицированные гены оказываются молчащими, что практически сводит к нулю воздействие среды на эти хромосомы.

8. Может показаться, что в случае уникальных копий ситуация иная. Однако и это не так. Бриттен и Дэвидсон сравнивали скорости замены оснований в генах, детерминирующих белки, и в уникальной ДНК, не участвующей в этом процессе. Оказалось, что скорость замены одинакова. Они пришли к выводу, что "эти скорости, возможно, представляют скорость замены в отсутствие давления отбора".

9. Независимость гена от внутриклеточной и внешней среды гораздо сильнее, чем можно себе представить. Ген обладает способностью оценивать свою численность и регулировать ее главным образом по собственным правилам. Это проявляется в магнификации генов и в их амплификации. При изучении магнификации генов у дрозофилы был обнаружен локус дикого типа, состоящий из 130–300 копий генов, кодирующих рРНК. Если в результате мутаций в геноме оказалось менее 130 копий, то у потомков восстанавливается нормальное число генов, что и называют магнификацией. Изучение амплификации у Xenopus также показывает, что в ооцитах имеется механизм, способный оценивать и регулировать число генов рРНК. У гетерозиготных мутантов вместо ожидавшегося половинного числа генов рРНК было обнаружено нормальное их число, достигаемое благодаря регуляторной деятельности генома.

Как хромосома противодействует влияниям среды и избегает гибели

Хромосома, в основе поведения которой лежит случайность, не может избежать воздействия среды, но организованная хромосома способна к этому по той простой причине, что ей не остается ничего другого. Коль скоро хромосоме свойственна упорядоченность, ей внутренне присущи определенные правила поведения. Обладая такими собственными правилами, хромосома, очевидно, должна лишь следовать им, не поддаваясь воздействиям внешних факторов.

В основе упорядоченности этой клеточной органеллы лежит несколько механизмов.

1. Хромосома строилась в соответствии с химическим принципом самосборки. Самосборка неизбежна и иерархична; она создала собственные каналы молекулярной организации, обеспечивающие высокую степень независимости от среды.

2. Хромосома – замкнутая система. На первый взгляд эта черта хромосомы в данном контексте кажется несущественной, но она имеет решающее значение для ее эволюции. Хромосома – это не просто "нитка генов" или "кусочек ДНК"; на обоих концах ее замыкают четко выраженные особые участки – теломеры и центромеры. Обычно хромосома заканчивается на обоих концах униполярными теломерами, но у телоцентрических хромосом на одном конце эту функцию несет центромера. Без теломер хромосома гибнет. Хромосома представляет собой компартмент, а поэтому она способна сама создавать свою организацию. В хромосоме бактерий нет высокоразвитых теломер, имеющихся в хромосомах эукариот. Она разрешила проблему проще – с помощью кольцевидной формы. Кольцо – это также замкнутая система, что облегчает развитие внутренней организации.

3. Хромосома обладает целым арсеналом средств, позволяющих ей следовать собственным правилам и избегать любых посягательств на свою целостность, но в то же время она способна изменять свою структуру и функцию упорядоченным образом. Этот процесс направляется исключительно физико-химическими принципами, по которым создавалась ее первоначальная структура. К таким средствам относятся: 1) перестройки, направляющие мутационный процесс так, что допускается возникновение только данного фенотипа; 2) эффекты положения, изменяющие молекулярные функции генов; 3) наличие нуклеотидных последовательностей, способных изменять функцию и замещать другие участки ДНК, принимая на себя их функции; примером служат центромеры, способные брать на себя функцию теломер в телоцентрических хромосомах; 4) наличие транспозонов, дающих возможность хромосоме вводить участки в определенные сайты. Вместе с эписомами бактерий они позволяют вносить упорядоченность в мутации и перестройки.

Хромосомное поле выявляет строгую упорядоченность в центромеро-теломерном участке

В настоящее время все еще преобладает мнение, что в мутационном процессе и в организации хромосом главную роль играет случайность. Случайность – самая простая и самая удобная концепция, поскольку она позволяет сразу объяснить все явления, которые со строгих физико-химических позиций все еще далеко не ясны.

Недавние молекулярно-биологические исследования привлекли внимание к упорядоченным процессам построения генов и хромосомных перестроек у эукариот. Кроме того, появляются основания полагать, что мутационный процесс может направляться путем регуляции физико-химических событий, происходящих в ДНК.

Однако эукариотическая хромосома с ее гигантскими размерами все еще остается далеко не изученной на молекулярном уровне как целостная структура, т.е. как вполне определенная и строго ограниченная единица. Поэтому большинство генетиков продолжают рассматривать ее как некую случайную конструкцию.

Еще в 1950-х годах были получены данные, указывающие на жесткость структуры эукариотической хромосомы. Эта структура сформировалась в виде градиентов хромомеров, которые у более чем 70 видов начинаются у центромеры. Они сохраняют свою организацию независимо от вариаций длины хромосом. Это привело к созданию концепции хромосомного поля, согласно которой между разными участками одной хромосомы существуют определенные взаимоотношения, детерминируемые главным образом расположением центромер и теломер. В то время сведений о локализации генов было мало; не было и молекулярно-биологических методов, которые можно было бы использовать для проверки такой концепции. Однако структурные данные столь убедительно свидетельствовали в пользу жесткой и упорядоченной организации, что были сделаны следующие предсказания: 1) гены располагаются в центромеро-теломерном поле неслучайным образом; 2) каждый структурный ген и каждая последовательность ДНК стремятся занять в этом поле оптимальное место; 3) существует иерархия хромосомных участков и взаимодействие между ними, оказывающие влияние на их функцию; 4) перестройки происходят случайным образом, но следуют правилам, которые сохраняют общую структуру поля. За последние годы были собраны данные, подтвердившие справедливость этих предсказаний: 1) у более чем 700 видов, от водорослей до человека, была установлена локализация генов рРНК, которые расположены в теломерах, причем это расположение настолько регулярно, что его можно описать линейным уравнением; 2) большая часть других последовательностей ДНК, которые могут быть распознаны у большого числа видов, занимает определенное положение в пределах поля, т.е. некоторые располагаются вблизи теломер, другие вблизи центромер, а третьи – в медиальных областях плечей; 3) цитогенетические исследования на молекулярном уровне, проведенные рядом авторов, показали, что местоположение данной последовательности ДНК имеет решающее значение для определения ее функции.

Изменение положения влияет как на репликацию, так и на транскрипцию ДНК.

В одном из исследований были изучены на молекулярном уровне последовательности ДНК, участвующие в наиболее резко выраженных хромосомных перестройках среди всех, известных у высших млекопитающих. Объектом для этого исследования были выбраны олени, так как они отличаются наиболее сильной изменчивостью по числу хромосом: у самки мунтжака 2п = 6, а у самца 2п = 7; у северного оленя 2я = 70.

Последовательность ДНК оленя, состоящую из 990 пар оснований, гибридизовали по Саузерну с суммарной ядерной ДНК мунтжака. Затем из клеток благородного оленя (Cervus elaphus, 2я = 68) выделили последовательность из 770 пар оснований. Эту последовательность клонировали и гибридизовали по Саузерну с суммарной ядерной ДНК других видов Cervidae, а также гибридизовали in situ с метафазными хромосомами М. muntjak и С. elaphus. Это позволило установить, распределяется ли данная последовательность ДНК в условиях сильнейшей перестройки хромосом, произошедшей у С. elaphus, случайным образом или же она продолжает занимать свое положение в соответствии с хромосомным полем.

Оказалось, что клонированная последовательность ДНК занимает прежнее положение в участке около центромер как у С. elaphus, так и у М. muntjak. Кроме того, гены рРНК и центромеры также оставались на прежних местах, несмотря на сильную хромосомную перестройку. Результаты этих экспериментов подтверждают предсказания теории хромосомного поля, согласно которым каждая последовательность занимает оптимальное положение в центромеро-теломерном поле и стремится занять это положение после хромосомной перестройки.

Концепция хромосомного поля превратилась в теорию, потому что с течением времени она позволила сделать ряд предсказаний, подтвердившихся при экспериментальной проверке.

В свете представленных здесь данных нет оснований считать, что любая последовательность ДНК должна всегда занимать строго определенное положение в пределах поля при переносе из одной хромосомы в другую. Известная свобода перемещения необходима, иначе эволюция была бы невозможна. Теория не допускает лишь случайной перестройки последовательностей ДНК. Более того, она подчеркивает, что поведение этих последовательностей следует законам, действующим на молекулярном уровне, которые обязывают их всегда занимать мунтжака в метафазе митоза. ДНК хромосомного диска благородного оленя, содержащая 770 пар оснований, клонировали в плазмиде pBR322, осуществляли никтрансляцию в присутствии трития и гибридизовали in situ с хромосомами мунтжака. А. Клетка в метафазе; видно накопление метки в областях плечей Х-хромосомы вблизи центромеры. Б. Кариотипы трех клеток, в которых видно значительное накопление метки в участках Х-хромосомы вблизи центромеры и слабое накопление в тех же участках хромосомы I. В. Пять Х-хромосом, на которых видно, что метка накапливается не в центромере, а в участках плечей по обе стороны от нее.

Рис. 1. Семь хромосом

Рис. 2. 68 хромосом самца благородного оленя в метафазе митоза

Использована та же проба ДНК, меченная тритием, что и в предыдущем эксперименте– В 64 аутосомах и в хромосомах X и Y центромеры терминальные; только в двух крупных аутосомах они медиальные. А. Клетка, в которой у большинства хромосом метка накопилась вблизи центромеры. Б. Кариотип из другой клетки: 64 телоцентрические хромосомы расположены в зависимости от их длины и у всех у них метка сконцентрирована вблизи центромеры единственного плеча. В двух крупных метацентрических хромосомах в конце нижнего ряда метка отсутствует; в Х-хромосоме – самой крупной в наборе – метка также отсутствует, а в Y-хромосоме ее можно видеть вблизи центромеры.

Таблица 2. Экспериментальные данные, полученные на разных видах оленей и показывающие строгую упорядоченность хромосомных перестроек. Клонированные последовательности ДНК, центромеры и гены рРНК, несмотря на сильнейшие хромосомные перестройки, сохраняют свое местоположение в хромосомах, как и предсказывает теория хромосомного поля

Рис. 3. Схема, в которой суммированы данные, свидетельствующие о жесткой упорядоченности хромосомных перестроек

Последовательности ДНК, центромеры и гены, кодирующие рРНК, при клонировании, несмотря на коренные хромосомные перестройки, сохраняют свое местоположение в хромосоме, что соответствует предсказаниям теории хромосомного поля. Для простоты на схеме представлены только по четыре из 68 хромосом Cervus elaphus и 46 хромосом Muntiacus reevesl. По этой же причине изображены лишь некоторые из хромосом М. muntjak. Объяснения см. табл. 2. Стрелки показывают, что перестройки могут происходить в обоих направлениях, т.е. как от высокого числа хромосом к низкому, так и в обратную сторону.

Полученные за последнее время молекулярные данные о строении генов у высших организмов не подтверждают представления о хаотичности хромосом, а указывают на строгую упорядоченность в строении генов.

У эукариот большинство генов состоит из нетранскрибируемых участков ДНК, разделенных участками, которые транскрибируются и транслируются. Число нитронов может достигать 16, как, например, у куриного гена, кодирующего белок овотрансферрин мРНК образуется путем сплайсинга РНК из экзонов. Процесс соединения участков РНК, происходящих из обособленных экзонов, отличается выраженной упорядоченностью. При сборке они соединяются соответствующими концами и в нужной последовательности.

Прерывистый ген представляет собой частный случай хромосомного поля. Первый выявляет упорядоченность в пределах гена, а второе – в пределах хромосомы.

Хромосома поддерживает постоянство, вводит новшества и производит разведку, пользуясь собственными средствами.

Хромосоме не нужен отбор для того, чтобы поддерживать постоянство, вводить новшества или производить разведку. Она содержит в себе все механизмы, необходимые для осуществления этих трех процессов. Поддержание постоянства и введение новшеств – функции антагонистические, но в мире молекул можно найти множество примеров антагонизма. Один из них – антагонизм или ингибирование гормонов, как в случае взаимно противоположных и ингибирующих действий андрогенов и эстрогенов.

Поддержание постоянства достигается путем сохранения генных последовательностей. В этом участвует несколько механизмов: 1) репарация ДНК, состоящая в замене тех оснований, которые неправильно включились или модифицировались; 2) коррекция, осуществляемая ДНК-полимеразой, которая вырезает участки ДНК, непригодные для репликации; 3) элиминация целых хромосомных участков, целых хромосом и целых хромосомных наборов. Такая элиминация – упорядоченный процесс, которому предшествуют маркировка и узнавание на молекулярном уровне.

Введение новшеств, или создание новых генных последовательностей, хорошо установлено на молекулярном уровне. Ген иммуноглобулина создан хромосомой с использованием тривиальных молекулярных механизмов. Две последовательности ДНК, которые в клетках зародышевой линии мышей непосредственно не функционировали, т.е. не транскрибировали РНК, а поэтому не могли рассматриваться как структурные гены, объединяются при помощи перестроек в соматических тканях, в результате чего они становятся активными и образуют ген иммуноглобулина. Избыточность и амплификация также представляют собой процессы, ведущие к новшествам. Они не только увеличивают число копий генов, но и порождают новые взаимодействия между существующими генами, модифицируя их активность.

Разведка заключается в переводе генетических путей на новые функциональные направления. В сущности хромосомы постоянно исследуют возможности новых решений. ДНК можно расщеплять и воссоединять. Это замечательное свойство лежит в основе всех хромосомных перестроек, выражающихся в таких странных формах, как транслокации, инверсии, дупликации и делении. Они не кажутся нам странными лишь потому, что происходят так часто в отдельных хромосомах и между ними. Новые функции, которые приобретают гены в результате некоторых из этих перестроек, приводят к образованию новых функциональных направлений. Важно отметить, что хромосома осуществляет все это в пределах собственных границ и с помощью собственных молекулярных механизмов. Для этого ей необходимо лишь оставаться в клетке, из которой она черпает необходимые молекулы.

Как клетка противодействует среде и избегает гибели

Плазмиды – это примитивные хромосомы, ведущие себя как независимые единицы. Они имеют собственную систему репликации и содержат собственные гены.

Передаваясь с помощью конъюгации от одной бактериальной клетки другой, плазмиды избегают воздействия среды. Плазмида может содержать гены, позволяющие клетке-реципиенту выжить за счет клетки-донора. Как пишет Новик, "у плазмид в процессе эволюции выработалась способность выживать независимо от судьбы их вида-хозяина – нечто совершенно немыслимое в рамках эволюции путем естественного отбора для элемента, который был просто компонентом генома отдельного организма". Клетка погибает, но хромосоме, выживание которой должно было бы целиком зависеть от ее существования в клетке, удается выжить.

У плазмид наблюдается и другое свойство, которое дает возможность бактериальной клетке выжить. Их гены устроены таким образом, что они обеспечивают как генетическую стабильность, так и генетическую пластичность. Вирусы с трудом приобретают новые гены, но плазмиды делают это, сохраняя механизмы, регулирующие их репликацию. Способность плазмид приобретать новые гены и перераспределять старые позволяет бактериальной клетке преодолевать многие трудные физиологические ситуации. Эта способность к обновлению – прямой продукт их молекулярного строения.

Добавочные, или В-хромосомы высших организмов, имеющиеся у сотен видов растений и животных, обеспечивают выживание эукариотической клетки примерно таким же образом, как это делают плазмиды в случае бактериальной клетки. У добавочных хромосом имеются собственные механизмы увеличения численности, такие как нерасхождение, и собственные генетические эффекты, усиливающие рекомбинацию, подавляющие конъюгацию, влияющие на частоту образования хиазм и ведущие к элиминации хромосом. Благодаря этим эффектам они служат источником генетических новшеств. Они дают возможность эукариотической клетке справляться с условиями новых сред, не изменяя своего основного набора хромосом, т.е. нормального их комплемента, подобно тому, как бактериальная клетка использует свои плазмиды, оставляя собственную хромосому относительно неизменной.

У эукариотической клетки есть другие способы противостоять среде. Амплификация генов была первоначально обнаружена и широко изучалась в ооцитах сверчка Acheta и амфибии Xenopus. Создание более тонких методов позволило обнаружить это явление в соматических клетках, выращиваемых в стрессовых условиях. Эти генные амплификации наблюдаются относительно часто в клетках млекопитающих, выращиваемых в культуре, и затрагивают многие гены, в частности гены дигидрофолатредуктазы, металлотионеина, глутаминсинтетазы, орнитиндекарбоксилазы и других. Примером служат клетки легкого китайского хомячка, которые выращивали в среде, содержавшей хлорид кадмия и опухолеродные вещества. Число генов металлотионеина увеличилось в этих клетках в пять раз, повысилось и содержание мРНК. Клетки избегают действия неблагоприятных условий, создаваемых химическими факторами, изменяя число генов и количество мРНК для многих последовательностей ДНК.