Лекция. Эукариоттар мен прокариоттардың геномы және генінің молекулалық ерекшеліктері. Эукариоттар геномының тізбектер типі

Эволюция барысында эукариоттарда прокариоттар геномынан елеулі айырмашылығы бар геном қалыптасты. Жоғары сатыдағы организмдердің геномы ең алдымен артықшылық (артық ДНҚ-ның болуы) қасиетімен сипатталады. Әр түрлі организмдердің ядросындағы ДНҚ-ны биохимиялық және цитохимиялық өлшеулер негізінде ДНҚ мөлшерінің тұрақтылығы туралы гипотеза ұсынылды. Бұл гипотеза бойынша түрдің кез келген ұлпасының жасуша ядросындағы ДНҚ-ның мөлшері салыстырмалы тұрақтылықта болуы керек. ДНҚ-ның гаплоидты ядродағы мөлшері С-шамасымен белгіленеді, демек, сомалық диплоидты ядродағы ДНҚ-ның мөлшері 2С-ке тең. С шамасы көптеген эукариотты организмдер үшін анықталып, оның организмдердің күрделілігі артқан сайын көбею тенденциясы бар екендігі айқын болды. Мысалы, сүтқоректілер үшін С шамасы ДНҚ-ның 3 пг (пикограммасына) тең, ал сүйекті балықтарда С шамасы бұл санның жартысынан да аз. Дрозофилада ДНҚ-ның мөлшері анағұрлым аз - гаплоидты геномға шамамен 0,1 пг.

1970-жылдары эукариоттар ДНҚ-сының едәуір бөлігінің коделеу функциясы жоқ екендігі айқын болды. Сөйтіп С-парадокс пайда болды. Бұл парадокстың басты себебі — барлық эукариоттарда ядродағы ДНҚ-ның артықшылығы. Геномның нуклеотид жұптары арқылы көрсетілген мөлшерін бір генге сай келетін нуклеотид сандарына бөліп, организмнің гендер санын жуық шамамен анықтауға болады. Әдетте, ақуыздың толық молекуласы орта есеппен үш жүзден артық амин қышқылдарынан құралған болса, онда бір генге шамамен 1000 нуклеотид сай келеді деп есептелінеді. Олай болса сүтқоректілердің гендерінің саны 3 млн. (3 млрд.н.ж. : 1000) тең болуы керек еді. Тіпті сүтқоректілердің генінің орта өлшемі 10 000 н.ж. тең болғанның өзінде (шындығында барлық белгілі гендердің аумағынан асып түседі), олардың гендер саны 300 000 болуы керек. Бұл мүмкін емес, өйткені сүтқоректілердің гендер саны анық болмаса да, оның саны жүздеген мың емес, ондаған мыңмен есептелінеді.

Фенотиптің көрінісін өзгертетін мутациялардың көмегімен біршама гендер санын анықтауға болады. Фенотипте байқалмай, организмнің тіршілік қабілеттілігін төмендетпейтін басқа спонтандық мутацияларды есептеп, организм геномының максимал гендер санын оңай анықтауға болады. Осындай бағалау дрозофилада 10 000-дай, сүтқоректілерде 30 000-дай гендер бар екеңдігін көрсетеді (Мюллер, 1967; Ота, Кимура, 1971).

Сонымен эукариоттардың гені ДНҚ тізбегінің екі типінен құралғаны мәлім болды. Американ генетигі У. Гильберттің ұсынысы бойынша олар экзон және интрон деген атауларға ие болды. Экзон дегеніміз ақуыздың амин қышқылдар тізбегі туралы ДНҚ-ның информациялық бөлігі. Интрон деп ДНҚ-ның коделенбейтін бөлігін айтады, яғни геннің интрондық бөлігі жетілген иРНҚ-да болмайды. Бұның өзі эукариот гендерінің узілмелі екендігін көрсетеді, яғни коделенетін экзондар коделенбейтін интрондармен бөлінген. Мұндай үзілмеліліктің өзі маңызды болуы да мүмкін: мысалы, овальбумин генінде сегіз экзон және жеті интрон бар, гемоглобин (қанның қызыл түсін анықтайтын пигмент) тізбегі генінің үш экзоны екі интронмен бөлінген, ал иммуноглобулиннің ауыр тізбегінің генінде төрт интрон және бестен көп экзондар бар. Сонымен қатар, интрондардың басым көпшілігі экзондардан ұзынырақ болып шықты: кәдімгі гендерде экзондардың жалпы ұзындығы 1000 н. ж. – қа тең болса, интрондардың орташа ұзындығы 5000—20 000 н. ж. аралығында өзгереді. Геннің интрон бөлігінің барлық «оқылу» шекараларында терминация кодондары бар, сондықтан да полипептидтік тізбекті коделей алмайды. Жалпы үзілмелі немесе мозаикалық гендер тек омыртқалы жануарларда ғана емес, эукариоттардың басқа таксономиялық топтарында да табылуда. Сондай-ақ эукариот жасушасында тіршілік ететін кейбір вирустардың — аденовирус және SV-40 вирустың гендері де экзон және интрон бөліктерінен құралғандығы мәлім болды. Жалпы вирус генінің ұйымдастырылуы, өзі паразиттік тіршілік ететін жануарлардың гендерінің ұйымдастырылуына ұқсас келеді. Сонымен, эукариоттардың көптеген гендерінде интрондар бар, алайда, олардың бірқатар гендерінде (рибосоманың, гистонның) интронды бөліктері жоқ.

Бұл ереже эукариоттарда сақталмайды. Олардың геномы бактериялардыкінен ондаған, жүздеген есе ұзын. Осыған қарамастан эукариоттар ДНҚ-сының едәуір бөлігі (70%-ға шейін) ДНҚ-ның басқа бөлігінен анағұрлым жылдам реассоциацияланады. Бұдан эукариот ДНҚ-сының осы бөлігі геномда бірнеше рет қайталанған деп қорытынды жасауға болады. Қайталанатын бөліктің реассоциация жылдамдығы бактериялардыкінен артық немесе бірдей болады. Осыған байланысты эукариот геномының тізбектерін үш типке бөледі: сателлитті ДНҚ (өте жиі қайталанатын), орташа қайталанатын және бірегей ДНҚ (кәдімгі ДНҚ-ның тізбегі). ДНҚ тізбегінің типтері организмде жануардың түріне байланысты біршама өзгереді. Мысалы бұзаудың тимусынан бөлінген ДНҚ-ның реассоциациясын зерттегенде мынадай мәліметтер алынды: 25% — өте жылдам, 30%— орташа жылдамдықпен және 45% — баяу реассоциацияланды.

Сателлитті ДНҚ геномда бірнеше жүздеген нуклеотидтерге дейінгі жай тізбектер күйінде болады да, жүзмыңдаған, кейде миллиондаған есе қайталанады. Сателлитті ДНҚ-ның нуклеотидтерінің тізбектелуін анықтау, олардың құрамында бірнеше нуклеотидтік тандемді (бір бағытты) қайталанулардың бар екендігін дәлелдеді. Әр түрлі эукариоттар хромосомасында сателлитті ДНҚ көбінесе центромера мен теломера аймағынан табылады. Олардың екеуінің гетерохроматинденгенін ескерсек, сателлитті ДНҚ-да құрылымды гендер - экзондар жоқ екенін болжауға болады. Шынында да, осы уақытқа дейін сателлитті ДНҚ-ның транскрипциясы байқалған жоқ.

Орташа қайталанатын ДНҚ-ға геномда ондаған немесе жүздеген көшірмелері бар тізбектер типі жатады. Мұндай тізбектер типі әр түрлі эукариоттардың барлық генетикалық аппаратының 10—50% құрайды. Орташа жиілікпен қайталанатын тізбектерді құрылымы және қызметі бойынша айырмашылықтары бар екі фракцияға бөлуге болады: тандемді қайталанатын көшірмелер және мобильді («көшпелі» немесе диспергирленген) генетикалық элементтер (МГЭ). Біріншісіне организм тіршілігі үшін маңызды құрылымды гендер жатады. Бұған гистон, тасымалдаушы және рибосомалық РНҚ-ның гендері мысал бола алады. Мысалы, теңіз кірпісінің гистонының гені гаплоидты геномға 1200 тандемді қайталанатын бірліктерден құралған, олардың әрқайсысы екі бөліктен тұрады: транскрипцияланатын (будан гя-рРНҚ түзіледі) және транскрипцияланбайтын. ДНҚ-ның транскрипцияланбайтын бөлігі спейсер деп аталады.

Сүтқоректілер геномында РНҚ-полимераза ІІ мен активті транскрипцияланатын интронды гендердің жанынан, кейде псевдоген (жалған ген) деп аталатын, тандемді тізбектерді байқауға болады. Псевдогендердің нуклеотидтік құрылымы — экзондары мен интрондары функциясы активті гендерге өте ұқсас, бірақ олар активті ақуыз синтездей алмайды. Мұндай гендер гендік мутациялардың нәтижесінде пайда болады, соның нәтижесінде транскрипцияның инициациясы бұзылуы, сплайсингтің тежелуі немесе трансляцияның ерте терминациялануы мумкін. Кейде псевдогендер 3'— ұшы полиаденилденген экзондардан ғана құралған, демек олар поли (А) иРНҚ-дан кері — транскрипция ферменттері арқылы синтезделген.....

Құрылымды гендердің (экзондардың) басым көпшілігі бірегей ДНҚ-да орналасқан. Алайда, ДНҚ-ның барлық тізбектері ақуыздарды коделейді деп санауға болмайды. Мұндай тізбектер бөлігі 1—2%-дан аспайды. Демек олардың басым көпшілігі гендер арасындағы ДНҚ тізбегі мен интрондар құрамына енеді. Жалпы геномның бірегейлігі деп ДНҚ-ның бір рет қана кездесетін тізбегін түсінеді, сондықтан олар қайталанбайтын ДНҚ деп те аталады. ДНҚ-ның қайталанбайтын тізбегінің жартысынан көбі транскрипцияланбайды, алайда эволюция барысында сақталып, ұрпаққа беріледі. Олардың жасушада атқаратын қызметін дәйекті түрде дәлелдейтін мәліметтер осы уақытқа дейін алынған жоқ.