Имя материала: Патологическая анатомия

Автор: Михаил Александрович Пальцев

8.1. основные сведения о хромосомах, днк и генах

Каждое клеточное ядро содержит набор хромосом, названных так за свою способность воспринимать определенные красители. Каждая хромосома состоит из одной молекулы ДНК вместе с ДНК связывающими белками. В период интерфазы (между двумя митозами) хромосомы полностью вытянуты и по отдельности не определимы внутри ядра. В ходе деления каждая молекула ДНК спирализуется и уплотняется, благодаря чему в специально окрашенных препаратах, метафазных пластинках (см. главу 1), под световым микроскопом можно различить отдельные хромосомы.

Большинство клеток человека имеют 46 хромосом (в диплоидном наборе, содержащем по две копии каждой аутосомы, совершенно схожей у мужчин и женщин, и пр одной паре половых хромосом: XX у женщин и XY у мужчин) (рис. 8.1). Все хромосомы в определенном месте имеют сужение, перехват (зону первичной перетяжки), которое называется центромерой. Согласно локализации центромеры выделяют 3 подгруппы хромосом: акроцентрические, субметацентрические и метацентричес-кие (схема 8.1). Центромера разделяет каждую хромосому на короткое и длинное плечо, которые обозначают соответственно как «р» (от франц. petit — маленький) и «q» (queue — хвост). Концевая зона каждого плеча называется теломерой. Хромосомы 1, 3, 16, 19 и 20 считаются полностью или почти полностью метацентрическими, 13, 14, 15, 21, 22 и Y — акроцентрически-ми, остальные — субметацентрическими. Все акроцентрические хромосомы, кроме Y, содержат в своих коротких плечах рибосо-мальные гены, и в ходе митоза в этих зонах часто отсутствует конденсация из-за участия в организации ядрышек. Поэтому концы коротких плеч этих хромосом имеют вид сателлитов (спутников), отделенных от плеч хромосом посредством узких ножек, называемых вторичными сужениями.

При специальном окрашивании (бэндинге) метафазных пластинок, кроме плеч хромосом, четко выявляются их районы, полосы (bands) и субполосы, или полоски. Все эти перечисленные сегменты обоих плеч носят свои порядковые номера, возрастающие от центромеры к теломерам. Графическое изображение всех окрашенных и неокрашенных сегментов, составляемое на основе бэндинга, называется картой или идиограммой. На основе последней формируется понятие о кариотипе, т.е. набо-

•і s *

Подпись:  їх

 

ре и строении всех хромосом в ядре клетки или строении какой-то одной из них (нередко говорят, например, кариотип хромосомы 21 и т.д.).

Во время митоза каждая хромосома подвергается репликации (удвоению) и формирует пару сестринских хроматид, которые соединяются в зоне центромеры. И, хотя в ходе митоза может происходить обмен генетическим материалом при крос-синговере (обмене сестринскими хроматидами), никаких клинических последствий не возникает, поскольку сестринские хроматиды идентичны друг другу. В конце деления каждая дочерняя клетка содержит идентичный набор (диплоидное число) из 46 хромосом. Нормальные клетки организма человека способны к делению митозом ограниченное число раз. Известно,

12. Пальцев, т. 1.

353

например, что фибробласты делятся около 50 раз, другие клетки — больше, но не более 100. Далее наступает старение клетки и ее гибель. В основе этого процесса может лежать укорочение те-ломер. Последние не только стабилизируют терминальные районы плеч хромосом, но и осуществляют прикрепление хромосом к ядерному матриксу. Их синтез регулируется ферментом теломеразой, выработка которой управляется геном хЕСТ2. Считают, что по мере увеличения числа митозов у клетки укорачиваются теломеры, поскольку функция гена хЕСТ2 и связанной с ним теломеразы имеют ограниченные пределы.

В противоположность митозу уменьшенный тип клеточного деления, или мейоз, характерный для гаметоцитов (недифференцированных половых клеток), приводит к образованию клеток с половинным набором {гаплоидным) из 23 хромосом. Мейоз, встречающийся только в гонадах (половых железах), состоит из двух делений, следующих друг за другом. При этом репликация ДНК происходит один раз перед первым делением. Таким образом, каждая зрелая яйцеклетка в норме содержит по одной аутосоме (неполовой хромосоме) из каждой пары, а также одну Х-хромосому. А каждый зрелый сперматозоид содержит по одной аутосоме из каждой пары, а также Х- или Y-хромосому. При оплодотворении диплоидное число восстанавливается и впоследствии у каждого индивидуума, продолжающего жизнь, одна половина аутосом происходит от каждого родителя. Однако особи женского пола имеют по Х-хромосоме от каждого родителя, в то время как особи мужского пола — мате-

ринскую Х-хромосому и отцовскую Y-хромосому. Наличие в наборе лишних хромосом называется полисемией.

Таким образом, нормальные числа хромосом выражаются как 46,ХХ для женщин и 46,XY для мужчин. Любое другое гаплоидное число, кратное 23, называется эуплоидным числом. Если же в ходе мейоза или митоза случается ошибка и клетка обретает комплект хромосом, не являющийся кратным 23, то этот комплект или набор называют анэуплоидным. Обычными причинами анэуплоидии служат неразъединение хромосом и задержка анафазы.

Каждая молекула ДНК состоит из двух нуклеотидных нитей, или цепей, закрученных относительно друг друга по часовой стрелке и формирующих двойную спираль. Каждый нуклеотид состоит из трех химически разных частей, соединенных кова-лентными связями: азотистого основания в виде пиримидина или пурина, молекулы дезоксирибозы (в РНК используется рибоза) и молекулы фосфата. У ДНК имеется два пуриновых основания — аденин (А) и гуанин (G) — и два пиримидиновых — тимин (Т) и цитозин (С). Одни и те же пурины (аденин и гуанин) входят в состав и ДНК, и РНК, но из пиримидинов в РНК вместо тимина находится урацил (U). Итак, ДНК содержит А, G, С, Т, а РНК - A, G, С, U.

Каждая молекула фосфата (фосфатная группа) замещает в сахаре (дезоксирибозе) группу ОН в положении 5' или 3' и удерживается фосфодиэфирными связями, определяющими скелет молекулы ДНК (цифра 5 или 3 маркирует порядковый номер атомов углерода в пятичленном кольце сахара, а штрих «'» обо значает атомы именно углерода). Так определяется полярность молекулы ДНК, которая в одной ее нити (лидирующей нити, играющей важнейшую роль в транскрипции) условно обозначается как направление 5'—3', а в другой (запаздывающей нити) — как направление 3'—5'. Таким образом, обе нуклеотидные цепи (нити ДНК) располагаются в противоположном направлении и удерживают друг друга водородными связями между основаниями А и Т или G и С- Поскольку спаривание А:Т и G:C носит обязательный характер, параллельные нуклеотидные цепи комплементарны (соответствуют друг другу в указанных отношениях: аденин-тимин и гуанин-цитозин). Если последовательность одной цепи читается как AATTGC, то комплементарная нить должна читаться как TTAACG (схема 8.2). Участок аминокислотной последовательности ДНК (и любого белка), связанный с определенной функцией, называется доменом.

Единицей длины ДНК является нуклеотидная пара оснований (bp). Тысячу пар составляет один килобейс (kb), а миллион пар — один мегабейс (Mb). Общая длина ДНК в наборе хромосом человека достигает 3 млн kb. Известно около 50 ООО структурных генов, закодированных в ДНК. Поскольку большинство из них имеет лишь одну копию в гаплоидном геноме и среднюю

12*

355

Схема 8.2. Строение участка двойной молекулы ДНК из 10 пар нуклестидов

Ph

 

Su

 

-J

20 нм

 

длину, видимо, 20 kb, все вместе они занимают примерно одну треть длины ДНК. Большую часть остальной ДНК составляет некодирующая ДНК. Она может быть умеренно повторяющейся с несколькими сотнями копий и высоко повторяющейся с многими тысячами копий. Эта часть ДНК может иметь распространенный характер или же быть собранной в кластеры (скопления, пучки). Умеренно повторяющаяся часть некодирующей ДНК включает в себя несколько функциональных генов в виде множественных копий, в том числе рибосомальную РНК (300— 400 копий) и гены гистонов (ядерных белков, стабилизирующих структуру ДНК и участвующих в регуляции ее синтеза). Функция высоко повторяющейся части некодирующей ДНК пока не ясна.

Хорошо известно, что белки, будь то структурные компоненты или ферменты, молекулы-переносчики, гормоны или рецепторы — все состоят из определенного ряда аминокислот. Открыто 20 аминокислот и точно установлено, что последовательность их расположения определяет конечную форму и функцию белка. Все белки закодированы в ДНК, и единица ДНК, кодирующая белок, представляет собой ген. Каждый ген существует в альтернативных формах, занимающих идентичные позиции (ло-кусы) в гомологичных хромосомах и обусловливающих феноти-пические различия признаков каждой особи. Указанные формы гена называют аллелями. Первой стадией синтеза белка является транскрипция. Две нити ДНК разъединяются и на участке одной из них, подлежащем переписыванию кода и служащем матрицей (шаблоном), комплементарно используются те ну-клеотиды, которые свойственны РНК. Под воздействием ферментов, в частности РНК-полимеразы, формируется матричная РНК (мРНК, которую часто обозначают еще РНК-посредником или мессенджером).

Каждый набор из трех пар оснований ДНК (триплет, или кодон) кодирует аминокислоту. Поскольку любое основание в триплете может представлять собой какой-либо из четырех возможных нуклеотидов (A, G, С, Т), то существует 64 возможные комбинации их последовательностей (табл. 8.1). Условно кодо-ны для каждой аминокислоты выражаются на языке мРНК, и для них имеются комплементарные кодоны матрицы ДНК. Все аминокислоты, кроме метионина и триптофана, кодируются более чем одним кодоном. Три из них (UAA, UGA, UAG) обозначают окончание переписывания кода, а одна аминокислота (AUG) действует в качестве стартового сигнала для синтеза белка. Транскрипция распространяется в направлении 5'—3' до терминального кодона в нити ДНК.

Подавляющее большинство генов состоит из прерывистых сегментов ДНК, кодирующих белок (экзонов) и сегментов, не кодирующих белок, длиной 10—10 ООО bp, названных вмешивающимися последовательностями или интронами, функция которых изучена недостаточно. С ДНК считывается копия РНК, точно соответствующая последовательности первой из них. Однако это только первоначальная РНК (про-мРНК). Она еще не используется для синтеза белка. После удаления из нее нитронов образуется зрелая мРНК, состоящая только из экзонов. Этот процесс называется сплайсингом (соединением, хотя сплайсинг — более сложный процесс, включающий в себя и разрезание, и сшивание концов РНК). Последовательности в зонах соединения экзонов и интронов служат в качестве сайтов распознавания (сайт — точечная локализация в ДНК, имеющая сложную номенклатуру) для ферментов сплайсинга. Характерно, что интрон начинается с GT (это 5', или донорский, т.е. отдающий, сайт) и заканчивается на AG (3', или акцепторном, т.е. прини

мающем, сайте). Если сплайсинг дефектен, то синтезируется нефункциональный белок или же вообще белок не образуется. Гистоны, актины и некоторые гены интерферона не содержат интроны, но это редкое исключение. Начальный конец мРНК 5' блокируется или покрывается 7-метилгуанозином, в то время как терминальный (хвостовой) конец 3' (поли-А, т.е. с 100—200 остатками аденина) обычно участвует во вспомогательном транспорте в цитоплазму для рибосомальной трансляции.

Рис. 8.2. Анэнцефалия — порок развития переднего конца невралъной трубки в результате нарушения функции генов-регуляторов.

 

Приспособительные процессы, а затем и закономерности онтогенеза (преобразований организма в течение жизни) основываются на упорядоченном дифференциальном действии разных генов. В ходе эволюции появились механизмы регуляции действия генов, и геном каждой клетки приобрел характер комплекса, состоящего из трех главных компонентов: структурных генов, ответственных за синтез белков и молекул транспортной и рибосомальной РНК, генов-регуляторов, обеспечивающих упорядоченность действия структурных генов (рис. 8.2), избыточной ДНК. Действие каждого гена начинается с транскрипции. Белковые последовательности, прошедшие транскрибирование, подвергаются транслированию.

Трансляция происходит в цитоплазме и является ключевой стадией в процессе передачи информации. Именно здесь ну-клеотидные триплеты дешифруются как определенные аминокислоты с помощью рибосом. Каждая молекула мРНК прикрепляется к одной или более рибосомам, и в то время, когда рибосома движется вдоль мРНК по направлению от 5' до 3', каждый кодон распознается с помощью соответствующей транспортной РНК (тРНК), которая затем вкладывает аминокислоту в конец растущей белковой цепи. По завершении рибосомаль-ной трансляции многие белки не достигают своей окончательной структуры. Поэтому они проходят посттрансляционный процессинг, прежде чем получат биологически активную трехмерную форму.

За 30 лет интенсивных исследований (1967—1997) было открыто и картировано в ДНК более 1700 структурных генов. С каждым годом количество открытых генов увеличивается. Изобразить карту всех генов человека, которые играют наибольшую роль в его патологии, не представляется возможным. Но даже если удастся сделать это, то сумма обозначенных на карте генов составила бы около 4 \% от общего числа известных в настоящее время 50 ООО структурных генов. На схеме 8.3 показано расположение в некоторых хромосомах лишь ряда генов, имеющих важное значение в патологии. Их аналоги с родственной функцией (родственные гены) зачастую собраны в кластеры. Очень известными являются семейства а- и р-глобиновых генов, организованные в кластеры, являющиеся результатом наследственной дупликации с последующим расхождением функции. В противоположность этому, гены ферментов, работающих на разных ступенях одного метаболического пути, разрознены и находятся на разных хромосомах, хотя их аналоги, кодирующие лизосомальные и митохондриальные ферменты, тоже собраны в кластеры. Точно также гены субъединиц сложных белков могут локализоваться на разных хромосомах.

Все клетки человека, снабженные ядрами, обладают идентичным набором генов. Несмотря на это, экспрессия (выражение, функция) генов варьирует очень широко. В дополнение к функции начальных и цепных терминальных кодонов зоны каждого гена и соседней ДНК играют важную роль в регуляции транскрипции и, следовательно, синтеза каждого белка. Мес-сенджерная РНК транскрибируется в направлении от 5' к 3', и поэтому начало гена располагается ближе к концу 3' матричной нити ДНК (схема 8.4).

Последовательность ДНК, расположенная против хода транскрипции (см. схему 8.4) и нужная для распознавания ее белками, называется промотором (не путать с веществами-промоторами опухолевой трансформации, см. главу 7). Промоторы участвуют в связывании РНК-полимеразы с воспринимающей нитью ДНК. Они варьируют в порядке расположения своих последовательностей. В настоящее время обнаружены несколько промоторспецифичных факторов транскрипции, которые связываются с определенными промоторами и активируют транскрипцию. Активность многих промоторов изменяется с помощью усилителей транскрипции — энхансоров, представляющих собой отдельные регуляторные элементы. Энхансор должен располагаться на той же молекуле ДНК, по ходу или против

Подпись: Схема 8.3. Локализация генов, имеющих важное значение в патологии человека
Обозначения: Хромосома 1: АТЗ - антитромбин III, CRP - С-реактивный белок, PND - пронатриодилантин, NRAS - гомолог онкогена v-ras нейробластомы, RH - система резус. RNSS - ген(ы)5БРНК Хромосома 4: AFP - а-фетопротеин ALB - альбумин, FGA - фибриноген, а-цепь, GC — компонент групповой специфичности, HD - болезнь Хантингтона, IL2 - интерлейкин 2 Хромосома17: ТР53 - онкобелок 53, COL1A1/01 - коппаген типа 1, цепь а-1/несовершенный остеогенез, GH1 - гормон роста, HOX1 - район гомеобок-са 1 (части открытой рамки считывания с гомеозисными генами), X-Кромосома ALD - ад-ренопейкодистрофия BMD - мышечная дистрофия Беккера, DMD - мышечная дистрофия Дюшенна, F8C - фактор свертывания VIM F9 - фактор свертывания IX, FRAXA - синдром хрупкой Х-хромосомы. GCP - зеленый пигмент колбочек (дейтеранопия - слепота на зеленый цвет). G6PD - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. HPRT - гипоксантин-гуанин-фос-форибозилтрансфераза, ОТС - орнитин-транскарбамилаэа, RCP - красный пигмент колбочек (протанотопия - слепота на красный цвет), RP - X-связанный пигментный ретинит, XG - группа крови Хд

 

хода транскрипции, и может достигать длины 1000 bp. Некоторые энхансоры тканеспецифичны, в то время как другие опосредуют транскрипционные ответы нескольких генов не на тка-неспецифичном уровне, например при синтезе стероидных гормонов.

Первоначальный нуклеотид некодирующего лидера мРНК (лидер — это нетранслируемая последовательность на 5'-конце

Схема 8.4. Регуляция транскрипции

 

q Лидер Тейлер S1    A*=iaug|— i

Нить ДНК

Антитейлер

-ітаг.    I ,5i

t t

■          V         I

Энхансер     Промотор       Антилидер       Ген Терминирующий

кодон

 

Против хода транскрипции 4                     »   По ходу транскрипции

Обозначения: GA. AUG - нуклеотиды РНК, ТАС. СТ - нуклеотиды ДНК

 

мРНК, предшествующая инициирующему кодону) представляет собой пурин. А первой аминокислотой в полипептидной цепи, как правило, является метионин, хотя при последующем про-цессинге он может быть удален. На конце гена последовательность ААТААА является сигнальной для конца поли-А, облегчающего транспорт в цитоплазму, а терминальный кодон обеспечивает сигнал для распада РНК-полимеразы. Процессинг мРНК тоже регулируется. Например, ген кальцитонина кодирует предшественника этого гормона, но при альтернативном сплайсинге вырабатывается другой генозависимый нейропептид кальцитонина. Механизм контроля за таким альтернативным сплайсингом неясен точно так же, как роль метилирования ДНК. Отсутствие метилирования цитозиновых оснований на конце 5' остатков гуанина в ДНК соответствует активной генной экспрессии и наоборот. Однако остается неясным, обеспечивает ли такое метилирование регуляцию или является просто вторичным признаком.

 

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 |