Эукариоты: генетические механизмы кодирования биологической сложности

Характерная особенность генома эукариоиот – исключительно низкая плотность белок-кодирующих последовательностей. Если у покариот такие последовательности занимают до 95% геномной ДНК, то у эукариот – 5%. Очевидно, что при репликации в результате неправильного спаривания комплементарных нитей ДНК возможны делеции и дупликации. Решением проблемы неправильного спаривания было появление хроматина, обеспечившего несколько уровней укладки ДНК. По мере репликации ДНК с ней связываются белки хроматина. С появлением хроматина стала возможна упорядоченная сегрегация хромосом при клеточных делениях, что создало предпосылки для появления сегментированных геномов и диплоидности. Диплоидность отодвинула границу мутационной катастрофы ошибок, что привело к увеличению генома эукариот на несколько порядков. Кроме того, диплоидность обеспечила возникновение кроссинговера – блочной перетасовки фрагментов гомологичных хромосом. Все это вызвало устойчивость геномов эукариот к повторам и привела к появлению принципиально новых свойств ДНК и кодирования генетической информации.

Долгое время некодирующую ДНК эукариот рассматривали как нефункциональную, т.к. доля белок-кодирующей ДНК в них очень мала. Однако постепенно стала формироваться иная точка зрения, говорящая о том, что кроме триплетного кода и трансляционной машины, в клетки имеются другие коды и средства их чтения (концепция Э. Трифонова, 1997). Такие как

- коды регуляции транскрипции (огромное разнообразие вариантов транскрипции генов – во множестве разных тканей, на разных этапах развития многоклеточного организма, при различных функциональных состояниях. Для этого существует сложная структура регуляторных районов генов эукариот, набор транскрипционных факторов в ядре, различные начала старта транскрипции Взаимодействие регуляторных районов генов с регуляторными белками, связывание ТФ).

- коды формирования нуклеосом и хроматина (нуклеосомы формируются в определенных участках геномной ДНК и их расположение в геномах неслучайно, элементами кода хромосомной упаковки ДНК являются короткие олигонуклеотиды, распределенные определенным образом вдоль нуклеосомного сайта и определяющие конформационные свойства ДНК, кроме того, хроматин является важнейшим фактором регуляции транскрипции, от его укладки зависит доступность генов для транскрипции, существуют специальные механизмы перестройки (ремоделирования) хроматина в зависимости от дифференцировки и функционального состояния клетки).

- коды блочной организации кодирующих районов генов эукариот (экзон-интронная структура, альтернативный сплайсинг – один ген дает множество вариантов мРНК, и как следствие – вариантов белков, эти механизмы позволяют наращивать сложность генетических программ регуляции экспрессии генов без увеличения размеров геномов, интроны не являются генетически инертной ДНК, т.к. содержат большое число регуляторных элементов (сайты связывания ТФ, энхансеры и т.д.), блочная эволюция – образование новых белков за счет перекомбинаторики существующих, наибольшее совершенство – гены иммуноглобулинов).

- коды модуляции функций геномов (один из элементов – тандемные повторы, их модулирующее влияние проявляется при изменении числа копий в кластерах, диспергированные повторы, МГЭ – способоствуют адаптационной пластичности эукариот, увеличивая мутабильность конкретных локусов в определенные периоды времени).

- коды функционирования: генные сети (ГС – группа координированно функционирующих генов, контролирующих формирование определенного фенотипического признака организма (4 основные класса ГС – гомеостаза, циклических процессов, стрессового ответа и морфогенеза). Один и тот же ген может входить в состав нескольких ГС, могут быть разные режимы функционирования – стационарный или циклический. Особый класс ГС – интеграторы, включает те или иные локальные ГС в зависимости от состояния или стадии развития. Сложность ГС увеличивалась в ходе эволюции – 1) возникновении ГС клеточной дифференцировки (примитивные многоклеточные – билатеральные животные), 2) ГС эмбриогенеза с детерминацией бластомеров сразу после оплодотворения (личинки примитивных первично- и вторичноротых), 3) интеграция ГС пролиферации и дифференцировки (организация клеток в ткани и органы), 4) ГС-интеграторы морфогенеза (Hox-гены). Т.о. каждый из этих ароморфозов сопровождался поялением нового иерархического уровня организации ГС онтогенеза. Кроме того, темпы морфологической эволюции постоянно возрастали, вероятно, вследствие мощнейшего роста возможностей комбинаторики ГС и появления многих новых иерархических уровней ГС.

Видимо, поэтому корреляция между числом генов и морфологической сложностью у многоклеточных эукариот не соблюдается, т.к. имеющегося разнообразия ГС вполне достаточно для выполнения генетических программ, контролирующих сколь угодно сложные фенотипические признаки организмов.

Таким образом, сложность организации достигает нового уровня, который, как мы увидим, чрезвычайно важен для развивающегося организма.

Поиск по сайту: