Что отвечает за хранение информации в клетке
Хранение и реализация генет. информации в клетке
Полезная информация для каждого
Хранение и реализация генет. информации в клетке
1. Хранение генетической информации в клетке
Анатомия эукариотического генома
1.1.2. Геномы органелл
Анатомия прокариотического генома
Повторяющиеся последовательности геномной ДНК
2. ЭКСПРЕССИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
2.1. Этапы процессинга генетической информации
2.2. РНК, содержащаяся в клетке
2.4. Механизмы экспрессии генома
2.4.1. Обеспечение доступности генома
2.4.2. Инициация транскрипции
2.4.3. Деградация матричной РНК
2.4.4. Инициация трансляции
2.4.5. Процессинг, фолдинг и деградация белков
В настоящем пособии автор постарался представить полученные в последние 5-10 лет данные о строении геномов и механизмах информационного процессинга, то есть о способах реализации генетической информации, особенностях экспрессии геномов. Основной акцент сделан на особенности строения и на недавно выявленные механизмы работы генома человека.
1. ХРАНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ
1.1. Анатомия эукариотического генома
Геном – совокупность генов и других нуклеотидных последовательностей, находящихся в клетке. Другими словами – это вся ДНК, присутствующая в клетке. Гены – единицы наследственной информации, занимающие определенные положения в геноме и контролирующие выполнение определенных функций в организме. В составе гена как единицы считывания (транскрипционной единицы) могут присутствовать так называемые кодирующие и некодирующие последовательности. Первые у эукариот и архей называют экзонами. Вторые – интронами. Экзоны кодируют белки и некоторые виды РНК (рибосомальная, транспортная). Интроны разделяют экзоны. Их принято считать некодирующими участками геномной последовательности. Однако исследования последних лет показали, что в интронах заложена информация о строении микроРНК – небольных молекул РНК, обладающих регуляторными свойствами (Young-Kook Kim, N Narry Kim, 2007). Наряду с генами в геномах присутствуют псевдогены и фрагменты генов, повторяющиеся последовательности и так называемая «бессмысленная» ДНК. У разных организмов приведенные компоненты генома представлены в разной степени.
Геном эукариот состоит из ядерного генома и генома органелл. Основная часть генетической информации заключена в ядерном геноме, содержащемся в хромосомах ядра клеток, и намного меньшая часть локализована митохондриях и хлоропластах (в случае фотосинтезирующих организмов). Начнем рассмотрение геномов с ядерного генома.
1.1.1. Ядерные геномы эукариот
Все эукариотические ядерные геномы, которые в настоящее время изучены, разделены на несколько линейных молекул ДНК, содержащихся в разных хромосомах. Хотя основные физические характеристики эукариотических геномов сходны, одна важная черта значительно различается у разных организмов. Это размеры геномов. Наименьшие эукариотические геномы имеют длину менее 10 мегабаз, наибольшие – более 100 000 мегабаз. Одна мегабаза – это один миллион пар нуклеотидных оснований.
Гены менее сложных организмов гены упакованы теснее. У таких организмов нуклеотидные последовательности, разделяющие гены, меньше, чем у более сложных организмов. Различия в степени упаковки геномов хорошо видны при сравнении фрагмента третьей хромосомы дрожжей S. cerevisiae, расшифрованной в 1996 году, и фрагмента генома человека той же длины (Рис. 1).
Фрагмент третьей хромосомы дрожжевого генома обладает следующими чертами:
— Он содержит больше генов, чем человеческий сегмент. Этот регион третьей хромосомы дрожжей содержит 26 генов, кодирующих белки, и два гена, которые кодируют транспортные РНК – короткие не кодирующие белок молекулы РНК, участвующие в считывании генетического кода в процессе синтеза белка.
— Относительно небольшое количество дрожжевых генов прерывисто. В данном сегменте третьей хромосомы нет прерывистых генов. Суммарно в дрожжевом геноме, имеющем 5800 генов, обнаружено только 239 интронов, то есть участков некодирующей ДНК, разделяющих кодирующие участки. Заметим, что в человеческом геноме обнаружено более 300 000 интронов.
— Имеется небольшое число геномных повторов. Рассматриваемая часть хромосомы дрожжей содержит один длинный концевой повторяющийся элемент (LTR элемент), называемый Ty-2, и четыре неполных LTR элемента, названных дельта-последовательностями. Эти пять геномных повторяющихся последовательностей занимают 13,5 % протяженности рассматриваемого сегмента третей хромосомы дрожжей. Однако, такая ситуация не типична для дрожжевого генома в целом. После того, как была расшифрована нуклеотидная последовательность всех 16 хромосом дрожжей, подсчитали, что в расчете на весь геном дрожжей повторяющиеся последовательности составляют 3,4 %. У человека повторяющиеся последовательности занимают 44 % генома.
Таким образом, генетическая организация дрожжей более экономна, чем организация генома человека. Гены сами по себе более компактны, имеют очень мало интронов, расстояния между ними относительно короткие, меньше повторяющих последовательностей и некодирующих бессмысленных последовательностей.
Рис. 1. Сравнительная картина фрагментов геномов человека (А), дрожжей (В), дрозофиллы ©, кукурузы (D) и кишечной палочки (E), длиной 50 килобаз (T.A.Brown, 2002).
Дополнительной иллюстрацией того, что более сложные организмы имеют менее компактные геномы, является сравнительный анализ фрагмента генома дрозофилы, имеющего длину 50 килобаз, с фрагментами геномов той же длины у дрожжей и человека. Как видно из рис. 1, строение генома дрозофилы занимает промежуточное положение между геномами человека и дрожжей. Во фрагменте длиною 50 килобаз имеется 11 генов. Это больше, чем во фрагменте генома человека, но меньше, чем во фрагменте генома дрожжей. Семь из одиннадцати генов имеют интроны. Представленная картина характерна и для всего генома дрозофилы в целом. Плотность генов у дрозофилы занимает промежуточное положение между дрожжами и человеком. Гены дрозофиллы имеют намного большее количество интронов, чем у генов дрожжей, но почти в три раза меньше, чем у генов человека. Повторяющиеся последовательности составляют 12 %.
В настоящее время ясно, что количество геномных повторов играет основную роль в определении степени компактности генома. Это можно проиллюстрировать на примере генома кукурузы, который имеет размеры равные 5000 мегабаз, что значительно больше человеческого генома, но относительно мало в сравнении с геномами других цветковых растений. Секвенирование генома кукурузы показало, что основную его часть составляют повторяющиеся элементы.
Как видно из рис. 1, выбранный для примера регион генома кукурузы размером 50 килобаз содержит всего один ген, кодирующий алкогольдегидрогеназу, и еще один ген с неизвестной функцией. Доминирующими последовательностями в представленном регионе являются не последовательности, кодирующие белки, а геномные повторы. Большинство из них принадлежит к LTR элементам, которые составляют почти все некодирующие участки представленого фрагмента и занимают по произведенным оценкам приблизительно 50 % от генома кукурузы. Подобным образом за счет большого количества геномных повторов может быть увеличен и размер геномов других организмов. Так, геном Amoeba dubia в соответствии с геномами других простейших должен иметь размеры 100-500 килобаз, но имеет размеры 200 000 мегабаз.
Ядерный геном расщеплен на несколько линейных молекул ДНК, содержащихся в отдельных хромосомах. Исключения из этого правила не известны. Все эукариоты, которые к настоящему времени изучены, имеют, по крайней мере, две хромосомы, а молекула ДНК всегда линейна. Вариабельность генома на этом уровне заключается в разном количестве хромосом у разных видов организмов. Так, геном дрожжей построен из 16 хромосом, а геном дрозофилы из 4 хромосом. Однако никакой связи между количеством хромосом и размером генома не обнаружено. Геномы некоторых саламандр в 30 раз больше человеческого, но построены из вдвое меньшего количества хромосом. Эти сопоставления интересны, но в настоящее время ничего нельзя сказать о смысловой нагрузке, которую несет то или иное количество хромосом.
Хромосомы намного короче, чем входящие в их состав молекулы ДНК. Средняя человеческая хромосома содержит молекулу ДНК длиной около 5 см. Для размещения столь длинной молекулы ДНК в хромосоме нужна сложно организованная система упаковки. Способ упаковки влияет на экспрессию отдельных генов, а значит, на механизмы реализации генетической информации.
Важный прорыв в понимании принципов упаковки ДНК был осуществлен еще в начале 70-х годов прошлого века при использовании комбинации биохимических методов и электронной микроскопии. Тогда уже было известно, что ДНК ассоциирована с ДНК-связывающими белками, называемыми гистонами, но истинная природа ассоциации была не понятна. В 1973-74 годах несколько групп исследователей осуществили эксперименты, в которых обрабатывали комплексы ДНК и гистонов нуклеазами. Последние режут ДНК в позициях, которые не защищены белками в составе ДНК-гистоновых комплексов. После ограниченной обработки очищенного хроматина нуклеазами основная масса получавшихся фрагментов ДНК имела длину примерно 200 пар нуклеотидов или была кратна им, что предполагает регулярное расположение гистоновых белков вдоль молекулы ДНК.
Данные биохимиков были подтверждены электронно-микроскопическими наблюдениями очищенного хроматина. На нити ДНК были обнаружены белковые образования в виде зерен. Дальнейший биохимический анализ показал, что каждое зерно, или нуклеосома, содержит восемь молекул гистонов (по две молекулы гистонов Н2А, Н2В, Н3, Н4), которые образуют так называемый коровый октамер. Снаружи его дважды огибает нить ДНК. Стало понятно, что 140 или 150 пар нуклеотидов ассоциировано с нуклеосомной частицей. Нуклеосомы разделены участком связующей, линкерной ДНК длиной 50-70 пар оснований. В сумме получается 190-220 пар оснований на одну нуклеосому.
Кроме коровых гистонов в ядре имеется группа дополнительных гистонов, тесно связанных друг с другом и вместе названных линкерными гистонами. У позвоночных они включают гистоны Н1а-е, Н1о, Н1t и Н5. Отдельные линкерные гистоны связываются с каждой нуклеосомой с образованием хроматосомы, но истинное расположение линкерных белков пока не известно. Структурные исследования подтверждают традиционную модель, в соответствии с которой линкерные гистоны действуют как защелка, предотвращающая отсоединение свернутой ДНК от нуклеосомы. Однако, результаты других исследований свидетельствуют о том, что, по крайней мере, у некоторых организмов, связующие гистоны не локализуются на поверхности нуклеосом, как это предполагается в соответствии с первой моделью, а расположены между коровым октамером и ДНК (Pruss 1995).
Выявлена конденсированная форма нуклеопротеидного комплекса, названная 30-нанометровыми нитями (фибриллами), шириной примерно 30 нм. Истинный механизм, с помощью которого нуклеосомы ассоциируют в нити, неизвестен, но предложено несколько моделей. Наиболее популярна соленоидная модель. Отдельные нуклеосомы в составе нитей могут соединяться вместе в единую структуру с помощью линкерных гистонов или коровых гистонов, чьи хвосты экспонированы из нуклеосом. Модель подтверждается тем, что биохимическая модификация хвостов приводит к развертыванию 30-нанометровых нитей и появлению способности генов к активации.
30-нанометровые нити составляют основной тип хроматина в ядре в интерфазе, то есть в период между делениями ядер клеток. При делении ядра ДНК принимает более компактную форму упаковки, что приводит к образованию высоко конденсированных метафазных хромосом, видимых в световой микроскоп.
Метафазные хромосомы образуются на стадии клеточного цикла после репликации ДНК, когда каждая хромосома несет по две копии ДНК. Две копии ДНК удерживаются вместе в районе центромеры, которая находится в специфической позиции у каждой хромосомы. Имеется множество различных методов окраски хромосом. С их помощью выявлено характерное распределение полос, индивидуальное для каждой хромосомы. Набор хромосом называют кариограммой, его можно рассматривать как характерную черту организма того или иного вида.
ДНК, расположенная в районе центромер, и присоединенные к ней белки также имеют специальные характеристики. Нуклеотидная последовательность центромерного участка ДНК очень хорошо изучена у арабидопсис (Arabidopsis thaliana). Центромеры арабидопсис имеют протяженность 0,9-1,2 мегабаз и все они построены из повторяющихся последовательностей размером 180 пар оснований. У человека эквивалентные последовательности имеют протяженность, равную 171 паре оснований. Они названы альфоидной ДНК. Наряду с повторяющимися последовательностями у арабидопсис в этом районе имеется также небольшое количество генов. Их плотность составляет 7-9 генов на 100 килобаз в сравнении с 25 генами на 100 килобаз в нецентромерных последовательностях хромосом арабидопсис. Обнаружение того факта, что центромерная ДНК содержит гены, было большим сюрпризом, поскольку считалось, что этот регион генетически не активен.
Известно, по крайней мере, 7 специальных центромерных белков. Один из них, CENP-A, похож на гистон Н3 и даже способен заменять его в центромерных нуклеосомах. Предполагается, что специфические центромерные белки имеют отношение к функциям этого региона хромосом и участвуют в прикреплении веретена к метафазным хромосомам. Часть кинетохора построена из альфоидной ДНК, CENP-A и других белков, но их структура пока не описана в деталях.
Второй важной частью хромосомы является ее терминальный регион или теломера. Теломеры маркируют концы хромосом и тем самым дают возможность репарационным механизмам клетки отличать разрывы хромосом от натуральных концов хромосом. У человека теломерная ДНК построена из сотен повторяющихся мотивов 5’-TTAGGG-3’, с которыми связываются два специальных белка TRF-1 и TRF-2, участвующих в регуляции длины теломеры. Еще один теломерный белок образует связь между теломерой и периферией ядра и определяет место локализации конца хромосомы в ядре клетки. Несколько других белков регулируют ферментативную активность, поддерживающую длину каждой теломеры в процессе репликации ДНК. Эта активность является критически важной для сохранения хромосомы.
В геноме большинства организмов гены располагаются неупорядоченно. Существуют вариации в плотности генов на разных участках хромосом. Как уже упоминалось, средняя плотность расположения генов у арабидопсис составляет 25 генов на 100 тысяч пар нуклеотидов. Разброс частоты встречаемости генов в разных участках генома этого растения составляет от 1 до 38 генов на 100 тысяч пар оснований. Плотность генов в геноме человека варьирует от 0 до 64 генов на сто тысяч пар нуклеотидов.
Важной общей чертой всех геномов является наличие мультигенных семейств – групп генов, имеющих идентичную или близкую последовательность. Например, для всех эукариот, у которых определена нуклеотидная последовательность ДНК, обнаружено множество копий генов, кодирующих рибосомальные РНК. В частности, человеческий геном содержит приблизительно 2000 генов 5S РНК, локализованных в едином кластере первой хромосомы. Имеется также 280 копий повторяющихся единиц, содержащих гены 28S, 5,8S, 18S рибосомальных РНК. Предполагается, что такое большое число копий нужно клетке в период деления, для обеспечения быстрого синтеза белка в этот период.
Гены транспортных РНК также являются примерами классических, или простых, мультигенных семейств, в которых все члены семейства идентичны или имеют почти идентичные последовательности. Такие семейства возникают вследствие дупликаций генов и сохраняют исходную нуклеотидную последовательность на протяжении значительных отрезков времени в процессе эволюции.
Другие мультигенные семейства, более характерные для высших эукариот, называются сложными. Индивидуальные члены таких семейств имеют сходные, но, тем не менее, значительно различающиеся последовательности. Продукты таких генов различаются. Один из самых известных примеров сложного мультигенного семейства – это глобиновые гены млекопитающих. Глобины являются белками крови. Каждая молекула гемоглобина состоит из двух глобинов альфа-типа и двух глобинов бета-типа. У человека глобины альфа-типа кодируются небольшим мультигенным семейством, расположенным на 16 хромосоме, а глобины бета-типа – вторым семейстом, локализованным на хромосоме 11.
Гены глобинов были среди первых, для которых в конце 70-х годов была определена нуклеотидная последовательность. Результаты секвенирования показали, что в каждом семействе гены похожи друг на друга, но не идентичны. Нуклеотидные последовательности наиболее отличающихся друг от друга генов внутри семейства бета-глобинов (бета и эпсилон глобины) идентичны только на 79,1%. Этого сходства было достаточно, чтобы отнести оба белка к одному семейству. Подобные различия обнаружены и в генах альфа-кластера.
Почему члены семейства генов глобинов отличаются друг от друга? Ответ на этот вопрос был получен при исследовании экспрессии отдельных генов на разных стадиях развития организма человека. Так, гены эпсилон, G? и A?, относящиеся к бета-кластеру, экспрессируются на ранних стадиях эмбрионального развития. Сигма и бета гены экспрессируются во взрослом организме. Все эти гены в разной степени отличаются друг от друга. Белковые продукты этих генов выполняют различающиеся функции. Различия в биохимических свойствах глобиновых белков отражают сравнительно небольшие, но существенные изменения в физиологической роли, которую они играют на разных стадиях развития человека.
В некоторых мультигенных семействах индивидуальные представители кластеризованы, то есть, расположены сравнительно компактно, в одном участке хромосомы. В других семействах гены могут быть разбросаны по всему геному. Пример такого диспергированного семейства – пять генов альдолазы, фермента энергетического обмена. Они локализованы на 3, 9, 10, 16 и 17 хромосомах. Важно, что даже если гены диспергированы, то все равно представители этого семейства имеют сходство в своих последовательностях, что отражает общность эволюционного происхождения.
При сравнении этих последовательностей можно проанализировать взаимоотношения не только внутри генов данного семейства, но также и между разными семействами. Например, гены семейств альфа и бета глобинов имеют некоторое сходство в последовательностях, исходя из чего, было сделано заключение о существовании у них единого эволюционного предшественника. То есть эти два семейства составляют суперсемейство, а степень сходства между отдельными представителями этого суперсемейства отражает их эволюционную близость.
1.1.2. Геномы органелл эукариот
Первые указания на присутствие экстрахромосомных генов были получены еще в 50–х годах прошлого века при исследовании необычного характера наследования некоторых признаков у Neurosporra crassa, S. cerevisiae и фотосинтетической водоросли Clamidomonas reinhardtii. Электронная микроскопия в сочетании с биохимическими методами позволили сделать заключение о существовании митохондриального генома и генома хлоропластов, которые независимы и отличаются от ядерного генома.
Почти все эукариоты имеют митохондриальные геномы. Все фотосинтезирующие эукариоты имеют геномы хлоропластов. Изначально считалось, что геномы всех органелл представляют собой кольцевые молекулы ДНК. Электронная микроскопия показала, что в некоторых органеллах присутствуют как кольцевые, так и линейные молекулы ДНК. Было предположено, что линейные молекулы просто являются фрагментами кольцевых геномов и получены в результате их частичного разрушения. В настоящее время известно, что кольцевые геномы нередко сосуществуют с линейными геномами, например в хлоропластах. Коме того, обнаружено, что геном органелл может быть фрагментирован. Так, геном хлоропластов одного из представителей морских динофлагеллят расщеплен на множество кольцевых геномов, каждый из которых несет один ген. Кроме того, известно, что у целого ряда низших эукариот геном митохондрий разбит на множество линейных фрагментов (Paramtcium, Сhlamydomonas и некоторые дрожжи).
Множественность копий геномов органелл не всегда понятна. Каждая митохондрия человека содержит около 10 копий идентичных молекул. Это означает, что в клетке присутствует почти 8000 копий таких молекул. В клетках S. cerevisiae общее количество митохондриальных геномов вероятно меньше, даже несмотря на то, что у них присутствует боле 100 геномов на митохондрию. Фотосинтезирующие организмы, такие как Chlamidomonas, имеют приблизительно 1000 хлоропластных геномов на клетку, которые включают всего лишь одну пятую часть от количества хлоропластных генов у высших растений.
Размеры митохондриальных геномов очень вариабельны у разных видов эукариот и не соотносятся со сложностью организма. Большинство многоклеточных животных имеют небольшие митохондриальные геномы с компактной генетической организацией. Гены тесно прилегают друг к другу, расстояния между ними невелики. Человеческий митохондриальный геном имеет размер, равный 16569 пар оснований. Он типичен для митохондриального генома позвоночных. Низшие эукариоты, такие как S. cerevisiaе, так же как и цветковые растения, имеют намного большие и менее компактные геномы митохондрий с множеством генов, содержащих интроны.
Геномы хлоропластов менее вариабельны по размерам и большинство имеют структуру, подобную структуре генома хлоропластов риса.
Размеры геномов органелл намного меньше размеров ядерных геномов. Репертуар составляющих их генов также менее разнообразен. В митохондриальных геномах, имеющих высокую вариабельность от вида к виду, количество генов варьирует от пяти у малярийного плазмодия до 92 у простейшего Reclinomonas аmericana. Однако имеются и общие для всех митохондриальных геномов характеристики. Все митохондриаьные геномы содержат гены некодирующих рибосомальных РНК и гены некоторых компонентов дыхательной цепи, то есть гены, необходимые для выполнения основной функции митохондрий. Более крупные митохондриальные геномы кодируют также транспортные РНК, рибосомальные белки, белки, обеспечивающие транскрипцию, трансляцию и транспорт других белков в митохондрию из цитоплазмы.
Большинство геномов хлоропластов несут набор примерно из 200 генов или сходное число генов. Они кодируют рибосомальные РНК, транспортные РНК, рибосомальные белки, и белки, вовлеченные в фотосинтез. Общей чертой геномов органелл является наличие генов, кодирующих белки этих органелл. Однако это не все белки, которые им необходимы. Недостающие белки кодируются ядерным геномом, синтезируются в цитоплазме и транспортируются из цитоплазмы в органеллы.
Почему ядерные геномы не кодируют все белки, необходимые органеллам? Твердого ответа на этот вопрос пока нет. Предполагается, что, по крайней мере, сверхгидрофобные белки, кодируются органеллами, поскольку не могут транспортироваться через мембрану, которая окружает митохондрию или хлоропласт. В этой ситуации остается только один путь – синтезировать белок внутри органеллы.
Открытие геномов у митохондрий и хлоропластов вызвало множество спекуляций об их происхождении. В настоящее время большинство биологов согласны с эндосимбиотической теорией, предложенной еще в 60-х годах прошлого века. Эндосимбиотическая теория основывается на том, что экспрессия генов в органеллах напоминает экспрессию генов в бактериях. Кроме этого, анализ нуклеотидных последовательностей генов органелл обнаружил, что они более сходны с бактериальными, чем с эукариотическими. Эндосимбиотическая теория предполагает, что митохондрии и хлоропласты являются реликтами свободно-живущих бактерий, которые образовали симбиотические ассоциации с предшественниками эукариотических клеток.
Подтверждением эндосимбиотической теории является открытие организмов, для которых обнаружены менее продвинутые стадии симбиоза, чем симбиоз между митохондриями (хлоропластами) и клеткой. Демонстрацией ранних стадий симбиоза могут быть простейшие, такие, например, как Ceanoiphora paradoxa. Их фотосинтезирующие структуры, названные цианеллами, отличаются от хлоропластов и напоминают непереваренные цианобактерии. Сходным образом, риккетсий, живущих внутри эукариотических клеток, можно рассматривать в качестве современной версии бактерий, которые дали начало митохондриям. Также предполагается, что гидрогеносомы трихомонад, некоторые из которых имеют геном, являются одним из вариантов эндосимбиотических митохондрий.
1.2. Анатомия прокариотического генома
Геном прокариот существенно отличается от генома эукариот. Он обычно значительно меньше как по размеру, так и по количеству генов. Лишь в отдельных случаях между ними имеются некоторое сходство в размерах геномов и количестве генов. Оно может наблюдаться при сравнении геномов прокариот с геномами низших прокариот. Например, геном кишечной палочки E. coli K12 имеет размеры, равные 4639 килобаз и содержит только 4405 генов. Напомним, что геном S. сerevisiae содержит 5800 генов, однако его размеры значительно больше (12,6 мегабаз). В то же время B. megaterium имеет геном, протяженностью 30 мегабаз.
Физическая организация геномов также различается у эукариот и прокариот. Традиционный взгляд на прокариотический геном заключается в том, что он представляет собой единственную кольцевую молекулу ДНК, то есть единичную хромосому. Однако, в дополнение к ней имеются еще кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Гены плазмид полезны микроорганизмам, поскольку кодируют такие свойства, как устойчивость к антибиотикам, способность утилизировать сложные соединения из внешней среды и так далее. Плазмиды не обязательны для жизни микроорганизмов, бактерии могут существовать и без них.
Традиционные взгляды на строение генома прокариот основаны на представлениях, полученных при изучении генома кишечной палочки как типичного прокариота. На самом деле прокариоты демонстрируют значительные различия в организации геномов. Некоторые имеют унипартитные геномы, как например кишечная палочка. У других строение генома является более сложным. Например, Borrelia burgdorferi B31 имеет линейную хромосому размером 911 килобаз, содержащую 853 гена. Она сопровождается 17 или 18 линейными и кольцевыми молекулами, размер которых суммарно составляет 533 килобазы. Они кодируют 430 генов. Мультипартитный геном известен и для многих других бактерий и архей.
Несмотря на разнообразие в строении геномов прокариот, кишечную палочку все же рассматривают в качестве типичного представителя прокариот. Типичным является наблюдаемая у кишечной палочки компактность прокариотического генома. На рисунке 1, где представлен фрагмент генома кишечной палочки размером 50 килобаз, сразу бросается в глаза, что в составе этого фрагмента имеется намного больше генов, чем у эукариот, а межгенные пространства очень невелики.
Представленный фрагмент генома содержит 43 гена, занимающих 85,9% пространства этого сегмента. Некоторые гены не имеют выраженных границ между собой. Так, гены thrA и thrB разделены всего одним нуклеотидом. Ген thrC начинается с нуклеотида, немедленно следующим за последним нуклеотидом гена thrB. Эти три гена являются примером оперона, то есть группы генов, вовлеченных в один сигнальный биохимический путь (в данном случае – в синтез треонина). Они экспрессируются координировано по отношению друг к другу. В настоящее время опероны используются как модельные системы для изучения принципов регуляции генов.
В целом, гены прокариот короче, чем гены эукариот. Средний размер бактериального гена составляет примерно две трети от эукариотического гена, даже если не учитывать интроны. В то же время бактериальные гены длиннее, чем гены архей.
Две другие особенности прокариотического генома становятся понятны при дополнительном анализе рис. 1. Во-первых, в геноме кишечной палочки отсутствуют интроны. Фактически в ее геноме нет прерывистых генов и это является типичной чертой для прокариот, но не архей. Второй отличительной чертой является низкая частота повторяющихся последовательностей. Большинство прокариотических генов не имеет каких-либо эквивалентов высококопийных повторяющихся последовательностей, найденных в эукариотических геномах. Однако, они несут низкопокийные последовательности, например инсерционные последовательности IS1 и IS186, представленные во фрагменте размером 50 килобаз. Имеются и другие примеры транспозабельных элементов, последовательности которых имеют способность перемещаться по геному, и, как в случае инсерционных элементов, переноситься от одного организма другому даже иногда между организмами разных видов.
Позиции IS1 и IS186 элементов, показанные на рис. 1, характерны именно для данного изолята кишечной палочки. Если изучать различные изоляты, то IS последовательности будут занимать разные позиции или могут полностью отсутствовать в геноме. Большинство других прокариотических геномов имеют очень мало повторяющихся последовательностей. Так, они практически отсутствуют в геноме Campylobacter jejuni NCNC11168. Однако, имеется исключение – Neisseria meningitidis Z2491, геном которой включает свыше 3700 копий различных типов повторяющихся последовательностей, составляющих в общей сложности 11% от генома и имеющих объем 2,18 мегабаз.
Кольцевая хромосома кишечной палочки имеет длину окружности, равную 1,6 мм. В то же время размеры клеток E. coli составляют в среднем 1,0 х 2,0 мкм. Как и эукариот, упаковка достигается с помощью ДНК-связывающих белков, которые упаковывают геном в определенном порядке. Итоговая структура внешне не похожа на эукариотическую хромосому, но, тем не менее, исследователи используют термин «бактериальная хромосома» для обозначения наследственного материала бактериальных клеток. Используется также термин «нуклеоид»
Значительная часть данных об организации ДНК в составе нуклеоида получена при изучении кишечной палочки. Первоначально было обнаружено, что кольцевой геном кишечной палочки является суперскрученым (supercoiled). Суперскрученность возникает, когда в двойную спираль ДНК вводятся дополнительные повороты (положительная суперскрученность) или когда они, наоборот, исчезают (отрицательная суперскрученность). В линейной молекуле возникающие торсионные силы тотчас раскрутили бы эту супер- или наоборот гипозакрученность и привели бы спираль в нормальное состояние, но в кольцевой молекуле, не имеющей концов, такого не происходит. Вместо этого кольцевая молекула, вращаясь вокруг себя, образует более компактную структуру.
Суперскрученость рассматривают как идеальный способ упаковки круговой молекулы в компактную структуру в замкнутом пространстве. Данные об участии суперскрученности в упаковке круговой молекулы ДНК у кишечной палочки были получены в 70-х годах при изучении изолированного нуклеоида и затем были подтверждены как свойство ДНК, характерное для живой клетки. У кишечной палочки суперскрученность генерируется и контролируется двумя ферментами – ДНК-гиразой и ДНК- топоизомеразой I. Они играют важную роль в репликации ДНК. Изучение изолированного нуклеоида в живых клетках показало, что если в нить ввести разрывы, то молекула ДНК получает ограниченную свободу вращения. Наиболее вероятное объяснение заключается в том, что бактериальная ДНК связана с белками, которые ограничивают свободу ее вращения. Расщепление молекулы ферментами приводит к расслаблению структуры ДНК лишь в ограниченных участках. Согласно существующей модели ДНК присоединяется к белковому ядру (кору). Из точки присоединения выходит 40-50 суперскрученных петель. Каждая петля содержит приблизительно 100 килобаз суперскрученной ДНК. Это то количество ДНК, которое становится свободным после единичного расщепления молекулы.
Белковый компонент нуклеоида включает гиразу и топоизоимеразу I. Эти два фермента изначально ответственны за поддержание суперскрученного состояния ДНК. Имеется также набор из минимум 4-х белков, играющих более специфическую роль в упаковке бактериальной ДНК. Одним из таких белков является упаковочный белок HU, который структурно сильно отличается от эукариотических гистонов, но выполняет сходную с ними функцию, образуя тетрамеры, вокруг которых наматывается приблизительно 60 пар оснований ДНК.