Страница: 30/52
оценка их числа составляет около 80 000. Сопоставляя это
значение со средними размерами гена и соотношением между ве-
личиной их экзонных и интронных областей, можно заклю-
чить,что кодирующие последовательности ДНК занимают не более
10-15% всего генома (McKusick, Ruddle, 1977). Таким образом,
основная часть молекул ДНК не несет информации об амино-
кислотной последовательности белков, составляющих основу лю-
бого живого организма, и не кодирует структуру рибосомаль-
ных, транспортных, ядерных и других типов РНК. Функции этой
"избыточной" (junk) ДНК не ясны, хотя ее структура изучена
достаточно подробно. Предполагается, что эта ДНК может
участвовать в регуляции экспрессии генов и в процессинге
РНК, выполнять структурные функции, повышать точность гомо-
логичного спаривания и рекомбинации, способствовать успешной
репликации ДНК и, возможно, является носителем принципиально
иного генетического кода с неизвестной функцией.
Наиболее общая характеристика генома может быть получена
с помощью анализа кинетики реассоциации молекул ДНК. Динами-
ка плавления геномной ДНК обнаруживает присутствие по край-
ней мере трех различающихся по химической сложности фракций
(Льюин, 1987; Газарян, Тарантул, 1983). Быстро ренатурирую-
щая фракция ДНК состоит из относительно коротких высокопов-
торяющихся последовательностей; в промежуточную фракцию вхо-
дит множество умеренно повторяющихся ДНК - более протяжен-
ных, но представленных меньшим числом копий; медленно рена-
турирующая фракция объединяет в себе уникальные последова-
тельности ДНК, встречающиеся в геноме не более 1-2 раз.
С помощью молекулярного анализа проведена идентификация
основных классов повторяющихся последовательностей ДНК,
составляющих более 35% всего генома человека и включающих
сателлитную ДНК, инвертированные повторы, умеренные и низко-
копийные повторы, а также мини- и микросателлитные последо-
вательности ДНК. Классификация этих типов повторов достаточ-
но условна и основана, главным образом, на двух характе-
ристиках: длине повторяющихся коровых единиц, которая может
варьировать от 1-2 до более, чем 2000 п.о., и числе их ко-
пий, также меняющихся в очень широких пределах - от десятка
до миллиона на гаплоидный геном. Не менее важными характе-
ристиками различных классов повторяющихся ДНК являются нук-
леотидная последовательность "коровых" единиц повтора, спе-
цифичность их организации, хромосомная локализация, внутри-
и межвидовая стабильность, а также возможные функции этих
типов ДНК.
Раздел 2.2. Повторяющиеся последовательности ДНК.
Сателлитная ДНК это класс высокоповторяющихся последо-
вательностей, составляющих около 10% всего генома человека
(Kao, 1985). При центрифугировании геномной ДНК в градиенте
плотности CsCl эти последовательности образуют четыре от-
дельных сателлитных пика с различными средними значениями
плавучей плотности. Методом гибридизации in situ показано
присутствие сателлитной ДНК преимущественно в центромерных,
теломерных и гетерохроматиновых районах большинства хро-
мосом, при этом характер гибридизации сходен для всех четы-
рех групп и не зависит от принадлежности ДНК-зондов к се-
мействам повторов, образующих различные сателлитные пики. В
каждой из этих групп, однако, присутствует небольшое коли-
чество последовательностей, имеющих специфическую хромосом-
ную локализацию. Так например, около 40% длинного плеча Y
хромосомы составляет семейство последовательностей, тандемно
повторяющихся более 3000 раз и не найденных в других хро-
мосомах.
Выделяют три основных типа сателлитной ДНК: (1) короткие
- от 2 до 20 п.о., стабильные тандемные повторы с кратностью
в несколько десятков тысяч раз, которые иногда перемежаются
с неповторяющимися последовательностями; (2) кластеры более
протяженных повторов, слегка различающихся по нуклеотидной
последовательности; (3) сложные, достигающие нескольких со-
тен пар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности раз-
личной степени гомологии (Газарян,Тарантул,1983). К послед-
нему типу относятся альфа-сателлитные или альфоидные ДНК,
среди которых найдено много хромосом-специфических последо-
вательностей. Размеры повтрояющихся "коровых" единиц альфо-
идной ДНК составляют около 170-200 п.о. В геноме человека и
других приматов эти мономеры организованы в кластеры по 20 и
более "коровых" единиц. После расщепления рестриктазой BamHI
в альфоидной ДНК выявляется серия фрагментов, длиной около 2
000 п.о., в составе которых обнаруживаются альфоидные после-
довательности, специфичные для гетерохроматиновых районов
разных хромосом человека (1, 3, 4, 5, 9, 6, 7, 11, 17, 19,
Х). В некоторых случаях эти повторы гомологичны двум разным
хромосомам (9 и 15, 13 и 21, 18 и Х) ( Willard,Waye, 1987).
Хромосом-специфические последовательности сателлитной альфо-
идной ДНК нашли широкое применение в молекулярной цитогене-
тике в качестве ДНК-зондов, удобных для маркирования индиви-
дуальных хромосом в метафазных и интерфазных клетках челове-
ка (Юров, 1987). Предполагается, что сателлитные ДНК играют
важную роль в поддержании структур хромосом и, возможно, в
их спаривании в процессе мейоза (Charlesworth et al., 1994).
Особое место среди сателлитных ДНК занимают микро- и
минисателлитные последовательности, представляющие собой
многочисленную группу рассеянных по всему геному относитель-
но коротких тандемных повторов. Микросателлиты - это класс
динуклеотидных повторов. Размер повторяющихся единиц в ми-
нисателитных последовательностях может меняться от 3 - 4 до
10 - 15 нуклеотидов. Отличительной особенностью микро- и ми-
нисателлитов является наличие среди них большого количества
участков, вариабильных по числу копий в кластере.
Инвертированные или обращенные повторы составляют до 5%
генома. Они состоят из двух тождественных копий длиной около
300 п.о., ориентированных в противоположных направлениях на
одной нити ДНК и лежащих на расстоянии от нуля до десятка
тысяч пар нуклеотидов друг от друга (в среднем - 1,6 кб).
Около 1/3 обращенных повторов не разделены промежуточными
последовательностями и носят название палиндромов. Среднее
расстояние между двумя различными парами инвертированных
повторов около 12 кб, и их распределение по геному носит
случайный характер. Комплементарные пары легко ассоциируют
при отжиге, образуя шпилечные структуры с дуплексной ножкой
и однонитевой петлей, длина которой соответствует расстоянию
между парой обращенных повторов. Вследствие этого оказыва-
ются приблеженными достаточно удаленные друг от друга участ-
ки ДНК, что важно для работы ряда ферментов, обеспечивающих
процессы репликации и транскрипции. Важно отметить и то, что
однонитевой участок ДНК, образующий петлю, становится
доступным для действя нуклеазы S1, специфически разрушающей
однонитевую ДНК.
Группа умеренно повторяющихся последовательностей очень
гетерогенна по длине и числу копий и составляет около 20%
генома человека. Как правило, они распределены дисперсно по
всем хромосомам, причем относительно короткие последователь-
ности ДНК до 500 п.о., так называемые короткие диспергиро-
ванные повторы - Sine, повторяются более 100 000 раз, в
среднем, через каждые 2.2 кб. Число копий более длинных
диспергированных последовательностей - Line, не превышает 10
000. Умеренные повторы найдены во всех структурных компонен-
тах генома за исключением кодирующих областей генов. Два
главных семейства умеренных повторов, Alu и Kpn1, занимают,
по крайней мере, 10% генома и практически столько же занято
несколькими сотнями других семейств повторов этого класса.
Основной единицей Alu семейства является короткая
последовательность из 300 п.о., повторенная в геноме челове-
ка несколько сот тысяч раз, в среднем, через каждые 5 кб или
через каждые 2 - 3 диспергированных повтора, принадлежащих
другим семействам (Kao, 1985; Льюин, 1987). При этом,
кластеры Alu-повторов, как правило, лежат внутри R-дисков
метафазных хромосом - Гимза отрицательных (G- дисков). Расп-
ределение Alu-повторов по геному весьма неравномерно как
между хромосомами, так и по их длине. Так, в хромосомах 14,
16, 21 Alu-последовательности концентрируются в области
центромеры, а в хромосомах 4, 19, 20, Х и У выраженные
кластеры Alu повторов не найдены. Члены Alu семейства не
полностью идентичны друг другу. Однако, все они содержат
сайт рестрикции для фермента AluI и имеют димерную структу-
ру, то есть состоят из двух прямых повторов длиной около 130
п.о. с богатой аденином вставкой из 31 нуклеотида во втором
мономере. Каждая Alu последовательность фланкирована прямыми
повторами длиной от 7 до 20 п.о., различными для разных чле-
нов семейства и имеющими большую степень гомологии с
транспозоноподобными элементами про- и эукариот. Некоторые
Реферат опубликован: 26/04/2005 (122502 прочтено)