Механизм сегрегации хромосом у бактерий (прокариот)

Обновлено: 28.05.2024

Несмотря на часто встречающееся представление о бактериальной хромосоме как о молекуле ДНК, замкнутой в кольцо, нередко наблюдается такое эволюционное событие как линеаризация кольцевой хромосомы бактерий, а также хромосом митохондрий и пластид. В числе причин линеаризации называют дефекты системы репарации, встраивание плазмид и рекомбинацию – все это приводит к разрыву кольцевой структуры. Некоторые геномы могут претерпевать многочисленные акты линеаризации–закольцовывания, в результате чего достигается большая вариативность генного состава на концах линейной хромосомы. Как и эукариоты, бактерии с линейными геномами сталкиваются с проблемой репликации концов, которая решается по-разному у разных видов. Отдельный интерес представляет вопрос об адаптивности линеаризации. В обзоре приведены современные гипотезы относительно значения этого процесса для эволюции бактериальных геномов, а также эксперименты, подтверждающие некоторые из них. Рассматриваются наиболее изученные механизмы репликации линейных геномов бактерий и возможные пути их возникновения.

Ключевые слова: линейные геномы, прокариотическая хромосома, топология хромосом, митохондриальная хромосома, линеаризация генома, репликация концов

ВВЕДЕНИЕ

До восьмидесятых годов прошлого века считалось, что геномы прокариот и эукариот фундаментально различаются топологически: хромосомы эукариот имеют линейную структуру, а прокариот – кольцевую [1]. То, что геномы прокариот кольцевые, было установлено путем составления карт сцепления генов в модельных организмах: Escherichia coli и Bacillus subtilis, а позже подтверждено в классических экспериментах Кэйрнса по изучению репликации [2]. В ходе этих экспериментов были получены микрофотографии кольцевых хромосом кишечной палочки в покое и во время деления.

Примерно в то же время было показано, что и некоторые органеллы эукариот: пластиды и митохондрии – имеют кольцевые хромосомы и собственный аппарат трансляции [3].

Несколько позже, с развитием технологий секвенирования, группа Карла Везе установила, что пластиды и митохондрии произошли от бактерий [4, 5], подтвердив гипотезу Линн Саган о прокариотическом происхождении некоторых клеточных органелл [4–6]. Это открытие объяснило одинаковую топологию хромосом прокариот и ДНК, которую находили в эукариотических органеллах.

При исследовании других бактерий показано, что чаще всего бактериальный геном представлен кольцевой хромосомой, которую может сопровождать одна или более кольцевых плазмид [7]. На основании широкой распространенности такой архитектуры был сделан вывод о ее древнем происхождении и о том, что общий предок клеток мог иметь именно кольцевые хромосомы.

С развитием новых методологий электрофореза, использование которых позволяет разделять большие фрагменты ДНК, перед исследователями предстала более сложная картина, и представления о кольцевой структуре абсолютно всех бактериальных геномов оказались опровергнуты. В 1989 году установили линейность генома возбудителя болезни Лайма – бактерии Borrelia burgdorferi [8]. Вслед за этим разные группы исследователей обнаружили, что бактерии-продуценты антибиотиков из рода Streptomyces [9] также обладают линейными хромосомами, а Agrobacterium tumefaciens [10], один из возбудителей галловой болезни, содержит в клетке как кольцевую хромосому, так и большой фрагмент линейной ДНК.

Как выяснилось, геномы митохондрий и хлоропластов в процессе эволюции претерпевали неоднократные акты линеаризации [11]. Линейные плазмиды имеются как у бактерий с линейными геномами – представителях родов Borrelia и Streptomyces, так и у бактерий с кольцевыми геномами [12].

В связи с этими наблюдениями интересно получить ответы на некоторые вопросы [1]:

1. Как образуются линейные прокариотические геномы?

2. Имеет ли их образование какое-либо адаптивное значение?

3. Как происходит репликация концов линейного прокариотического генома?

4. Какие последствия для генома имеет его линеаризация?

Ответы на эти вопросы получены в ходе исследований, обзор которых приведен ниже.

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ГЕНОМОВ

Бактерии с линейными геномами не образуют на общем дереве видов какой-либо клады, монофилетичной или парафилетичной [1]. Полифилия этих бактерий может быть следствием множественных независимых актов линеаризации и закольцовывания в ходе эволюции [13].

Косвенным доказательством независимости актов линеаризации в близкородственных видах служит тот факт, что в некоторых видах бактерий линейность хромосомы или некоторых плазмид обратима. Так, в бактерии Streptomyces lividans линейные хромосомы могут спонтанно закольцовываться в лабораторных условиях, причем с высокой частотой [14]. В плазмидах линейность также обратима: многие линейные плазмиды, встречающиеся в представителях рода Streptomyces, реплицируются в закольцованной форме [15, 18], а в бактериях рода Borrelia обнаружены кольцевые гомологи известных линейных плазмид [1]. На основании этих данных можно предположить, что переход кольцевой хромосомы к линейности не обязательно сопровождается серьезными и многочисленными изменениями в геноме. В противном случае – необходимости в большом числе мутаций – такой переход не происходил бы спонтанно и столь часто.

Escherichia coli С ЛИНЕЙНОЙ ХРОМОСОМОЙ

Еще одно доказательство слабого влияния линеаризации хромосомы на бактериальный фенотип получено в 2007 году Cui и соавт. [16]. Используя процесс, аналогичный линеаризации фага N15, авторам удалось создать стабильный штамм кишечной палочки с линейным геномом. Полученный штамм не отличался от исходного ни по характеру роста, ни по морфологии клеток и нуклеоида, ни по экспрессии генов. Однако при дефекте сайта dif – мишени специфической рекомбиназы резольвазы – фенотип клеток с кольцевой хромосомой изменялся, в то время как фенотип клеток с линеаризованным геномом при удалении этого сайта оставался неизменным.

Недавно Sinha и др. [17] показали, что топология кольцевой хромосомы Escherichia coli может нарушаться в некоторых мутантах, например, в мутанте по recBC, в котором нарушен процесс репарации двухцепочечных разрывов.

МЕХАНИЗМЫ РЕПЛИКАЦИИ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ХРОМОСОМ

При репликации линейных хромосом основная проблема – репликация концов. Эукариотические клетки решают это с помощью теломер – обновляемых повторов на концах хромосом, а бактерии используют два механизма, заимствованные, скорее всего, у вирусов и плазмид [1].

Первый механизм, который встречается у бактерий рода Streptomyces, заключается в присоединении специальных терминальных белков к 5'-концам двухцепочечных теломер. Структуры, похожие на теломеры стрептомицетов, обнаружены как в некоторых бактериофагах, так и в линейных плазмидах митохондрий растений и грибов [12]. Терминальные повторы стрептомицетов различаются по длине – от 500 до 1000 нуклеотидов – и состоят из семи палиндромных последовательностей, которые, находясь в одноцепочечном состоянии, привлекают терминальные белки. Репликация начинается с внутреннего сайта начала репликации (origin of replication) и продолжается до конца хромосомы, оставляя висячие 5'-концы [18].

Эти концы далее реплицируются через синтез ДНК, опосредованный терминальными белками. Стрептомицеты обладают пятью видами ДНК-полимераз. В то время как синтезом основной цепи занимается полимераза I (PolI), синтез концов осуществляется двумя изоформами PolIV [12]. Похожим образом реплицируются линейные плазмиды стрептомицетов [19].

Другой способ репликации концов реализуют бактерии рода Borrelia. Хромосомы этих бактерий несут на концах теломеры с ковалентно замкнутыми шпилечными структурами (рис. 1). Теоретически существует два механизма репликации таких хромосом [20]. Первый подразумевает образование внутренних репликативных вилок и дальнейшую репликацию, приводящую к формированию конкатената из двух идентичных хромосом, в который потом вносится два двухцепочечных разрыва в районе теломерных областей. На последней стадии ковалентная связь между цепями восстанавливается (рис. 1). Репликация по второму механизму начинается с внесения двух одноцепочечных разрывов на концах хромосом, после чего следует двухстадийная репликация – сначала концов, а затем и всего генома. Завершается этот процесс репарацией одноцепочечных разрывов. Второй способ чаще встречается при репликации вирусов, в то время как первый способ, и это показано экспериментально, используется боррелиями [20].

На основании сходства механизмов репликации вирусов и плазмид с линейными геномами с механизмами репликации линейных геномов бактерий, а также экспериментальных данных по линеаризации генома Escherichia coli с помощью вирусной системы Cui и соавт. [16] предполагают, что линейные геномы прокариот возникли в результате приобретения репликативных систем вирусов и плазмид.

АДАПТИВНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ТОПОЛОГИИ ХРОМОСОМ

Как сказано выше, линейность хромосом и плазмид стрептомицетов обратима в лабораторных условиях, и мутанты с кольцевыми хромосомами практически не отличаются по жизнеспособности от бактерий дикого типа. В целом, хромосомы стрептомицетов относятся к одним из самых нестабильных среди всех прокариот [21]. Примерно 0.5% спор содержат делеции, составляющие до 25% генома, что соответствует примерно 2 млн пар оснований. Интересно, что значительная часть таких спор жизнеспособна, и большинство крупных делеций, дающих жизнеспособные фенотипы, располагается по концам хромосом, что связано с процессами их обратимого закольцовывания. Само закольцовывание хромосом считалось процессом, при котором геном становится более стабильным, но эта гипотеза была экспериментально опровергнута [21]. Особо уязвима к делециям предполагаемая область терминации репликации, которая соответствует концам линейной хромосомы. Геном стрептомицетов приспособлен к частым делециям в районе концов линейной хромосомы: почти все важные для жизнедеятельности гены расположены вдали от концов, в то время как гены синтеза антибиотиков и резистентности к ним расположены на концах хромосомы, что вполне согласуется с их непостоянной ролью в жизни микроорганизма [21]. Открытие линейности хромосом некоторых бактерий, а также изучение стрептомицетов навело на мысли об адаптивном значении линеаризации хромосом. Высказанные идеи насчет адаптивного преимущества линейных хромосом могут быть сведены к нескольким положениям [1]:

1. Линейность хромосом бактерий, как и в случае эукариот, способствует их разделению при рекомбинации. Действительно, если между двумя кольцевыми хромосомами проходит нечетное число актов рекомбинации, получившийся конкатенат в процессе деления клетки разорвется или достанется только одной дочерней клетке. Это особенно важно для стрептомицетов, которые обладают полиплоидным мицелием, способным продуцировать споры. Если бы хромосомы стрептомицетов были кольцевыми, значительная часть спор оказалась бы нежизнеспособной.

2. Линейные хромосомы легче обмениваются информацией. Если кольцевым хромосомам необходимо два акта рекомбинации для получения двух стабильных рекомбинантов, то линейным достаточно одного [21]. Это может приводить к увеличению потенциального генетического разнообразия популяции, в особенности в присутствии плазмид [22]. В тяжелых условиях постоянной химической войны с использованием антибиотиков, в которых живут, например, стрептомицеты, наличие у вида большого стратегического резерва в виде пула плазмид с генами антибиотиков и резистентности к ним просто необходимо, а рекомбинация между такой плазмидой и хромосомой в этом случае выполняет роль системы, гарантирующей передачу полезной плазмиды потомкам. Высокая вариабельность концов хромосом у стрептомицетов служит косвенным подтверждением использования ими этого преимущества. Недавно, используя популяционно-генетический анализ стрептомицетов, Cheng и др. [23] подтвердили важность интеграции плазмид и гомологичной рекомбинации в эволюции этих микроорганизмов. В другой бактерии с линейной хромосомой – Borrelia, обнаружен высокопластичный участок генома, связанный с одной из теломер, а также большое число плазмид, линейных и кольцевых, способных к рекомбинации с этим участком. Плазмиды, как и терминальный участок генома, несут различные вариации генов, связанных с синтезом липопротеинов. Такой генетический конструктор позволяет этой бактерии быть более изменчивой, лучше подстраиваться под конкретного хозяина и его иммунную систему [22].

3. Дупликация генов на концах хромосом также может происходить достаточно легко, если хромосома линейна; при этом дуплицировавшийся ген может приобрести новую функцию в ходе эволюции. В этом случае, правда, польза от рекомбинации становится очевидной не сразу, а только после накопления мутаций, которые в конечном счете и приведут к “улучшению” фенотипа бактерии как долгосрочного эффекта дупликации.

Рис. 1.

Две модели репликации линейных хромосом с ковалентно замкнутыми концами, предложенные Chaconas и др. [20]. Модифицировано по [20] c разрешения EMBO.

С целью проверить, дает ли линейность хромосомы адаптивное преимущество клетке, исследователи выбрали уникальный объект – Agrobacterium biovar 1. Геном этой бактерии состоит из кольцевой и линейной хромосом. Сравнение хромосом внутри одного вида позволяет избавиться от нежелательных эффектов, которые дают различные биотопы, эволюционная история и генетическое окружение штамма [24]. Как оказалось, рекомбинация между генами происходит чаще в линейной хромосоме, но не чаще, чем в дистальной (дальней от начала репликации) части кольцевой хромосомы. Основываясь на этом заключении, а также на результатах анализа других параметров (например, сходных значениях K_a/K_s между двумя хромосомами), авторы пришли к выводу, что линейная топология не влияет на скорость обмена информацией и, следовательно, должны существовать другие причины линеаризации бактериальных хромосом.

Таким образом, причиной линеаризации хромосом может быть либо облегченное разделение хромосом при рекомбинации, либо облегченная дупликация отдельных генов. Но тут следует заметить, что эти рассуждения основаны на результатах, полученных в единственном исследовании, выполненном на единственном объекте, поэтому вопрос об ускоренном обмене информацией у бактерий с линейными хромосомами и получаемых при этом преимуществах не стоит “класть под сукно”.

ЛИНЕЙНЫЕ ГЕНОМЫ МИТОХОНДРИЙ

Хромосомы, содержащиеся в митохондриях, были открыты в начале шестидесятых годов прошлого века [25]. Как и в случае с бактериями, изначально считалось, что митохондрии могут обладать исключительно кольцевыми геномами, но уже через пять лет после открытия митохондриальной ДНК (мтДНК), оказалось, что митохондриальные хромосомы могут быть и линейными. Впервые это было показано для инфузории Tetrahymena pyriformis [26]. За этим последовал ряд публикаций по линейным хромосомам митохондрий в самых разных эукариотах: жгутиковых протистах, апикомплексах, водорослях, слизевиках, оомицетах, дрожжах и даже в многоклеточных книдариях. Аналогично линеаризации хромосом в бактериях, эукариотическая линеаризация митохондриальных хромосом, будучи достаточно распространенной в отдельных группах, не имеет четкого филетического сигнала. Так, почти треть видов дрожжей несет линейную мтДНК; при этом даже разные штаммы одного вида Williopsis saturnus различаются по этому признаку [11]. Как и для бактерий, для мтДНК кукурузы обнаружили легкий переход из кольцевой формы в линейную через встраивание линейных митохондриальных плазмид в митохондриальную хромосому [27]. Позднее такой же механизм линеаризации хромосом – через встраивание плазмид в изначально кольцевую мтДНК – выявлен для дрожжей, книдарий и некоторых других организмов [28, 29].

Очевидно, что для репликации линейной мтДНК необходимо решить проблему репликации концов. Установлено, что эта проблема решается с помощью теломер и особой белковой машинерии, которая удлиняет теломеры и состоит из полимеразы и белка, связывающего одноцепочечную ДНК (оцДНК) [28]. Однако, помимо теломер, проблема репликации концов может быть решена и ковалентным замыканием оцДНК в кольцо. Такую стратегию использует, например, инфузория Paramecium. Репликация митохондриальной хромосомы протекает так же, как и в случае боррелии (рис. 1а) [11, 30]. Репликация мтДНК дрожжей происходит по механизму катящегося кольца: хромосома замыкается в кольцо, после чего кольцо надрезается и происходит синтез мтДНК. Получающийся конкатенат далее нарезается на единичные геномы [31].

Интересно, что в случае мтДНК книдарий линеаризация стала возможной исключительно благодаря встроившейся плазмиде с двумя рамками считывания, которые кодируют белок, связывающий оцДНК и специальную полимеразу [28].

Наряду с четко определенным механизмом репликации линейной мтДНК известны организмы, у которых репликация происходит иначе. Например, для митохондриальной хромосомы дрожжей рода Candida известно три механизма репликации [29, 30]. Часто репликация хромосом кандид начинается с рекомбинации, запускающей весь процесс.

На тему адаптивности перехода митохондриального генома из кольцевой формы в линейную выдвигались принципиально те же гипотезы, что и в случае линеаризации генома бактерий: облегчение рекомбинации и обмена информацией при слиянии митохондрий, содействие в разделении рекомбинантных хромосом при делении и ускорение эволюции генов на концах линейной хромосомы [11, 28, 29]. Однако, учитывая легкость перехода в линейную форму и полифилетичность организмов с линейной мтДНК, можно скорее говорить о том, что этот процесс эволюционно нейтрален [11].

ДРОЖЖИ С КОЛЬЦЕВЫМИ ХРОМОСОМАМИ

Не только бактерии могут изменять топологию своих хромосом. Некоторые эукариоты способны закольцовывать свои хромосомы при определенных условиях. Так, при удалении каталитической субъединицы теломеразы большинство клеток в колонии дрожжей гибнет. Оставшиеся либо закольцовывают свои хромосомы, либо удлиняют свои теломеры – в основном за счет учащенной рекомбинации [32].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из вышеизложенного следует, что вопрос об адаптивной причине линеаризации хромосом остается пока открытым, несмотря на большой интерес к нему многих исследователей. Благодаря колоссальному скачку в развитии и распространении технологий секвенирования сегодня возможен крупномасштабный эволюционный анализ, который позволит приблизиться к пониманию механизмов и причин возникновения линейных геномов. А знание механизмов линеаризации геномов и их репликации, в свою очередь, будет востребовано при разработке новых методов генной инженерии. Так, свойства различных топологий матрицы ДНК уже учитывают при разработке, например, методов амплификации нуклеиновых кислот [33]. При репликации кольцевых молекул ДНК in vitro неизбежно возникают топологические проблемы, которые можно будет решить путем их временной линеаризации.

Автор благодарен М.С. Гельфанду за внимательное прочтение манускрипта и критические замечания.

2. Геномика прокариот

Основу генома кишечной палочки составляют кольцевые молекулы ДНК: прокариотические хромосомы и плазмиды.

Множество молекул ДНК образует две взаимосвязанные подсистемы: хромосомную и плазмидную.

Хромосомная подсистема прокариотического генома

Основу хромосомной подсистемы прокариотического генома составляет прокариотическая (бактериальная) хромосома (генофор), входящая в состав нуклеоида – ядерноподобной структуры. Нуклеоид по морфологии напоминает соцветие цветной капусты и занимает примерно 30% объема цитоплазмы.

Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая свернута во вторичную спираль. Вторичная структура хромосомы поддерживается с помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме (складке плазмалеммы) является точкой начала репликации ДНК (эта точка носит название сайта OriC). Бактериальная хромосома удваивается перед делением клетки. Репликация ДНК идет в две стороны от сайта OriC и завершается в точке TerC. Молекулы ДНК, способные себя воспроизводить путем репликации, называются репликоны.

В прокариотических хромосомах число сайтов OriC может быть увеличено, например, у сенной палочки Bacillus subtilis их не менее двух.

Длина прокариотической хромосомы составляет несколько миллионов нуклеотидных пар (мпн); например, минимальная длина ДНК прокариотической хромосомы E. coli штамма MG1655 составляет 4639221 пн (физическая длина около 1,5 мм).

У разных прокариот размер генома изменяется от до 0,5 до 6 мпн:

Примерно 11% ДНК прокариотической хромосомы E. coli представлено «некодирующими» (нетранскрибируемыми) последовательностями. Остальные 89% ДНК транскрибируются или могут транскрибироваться с образованием РНК. Примерно 75% транскрипционных единиц ДНК (участок ДНК от промотора до терминатора) содержит 1 ген (обычно это гены «домашнего хозяйства», то есть гены, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки), остальные 25% представляют собой опероны (геном E. coli содержит 600…700 оперонов).

У типичных прокариот (например, у кишечной палочки) в неделящейся клетке имеется одна бактериальная хромосома. Поэтому прокариоты в целом являются гаплоидами (гаплобионтами).

У гаплоидов каждый ген представлен одним аллелем, поэтому в целом к прокариотам неприменимы понятия «доминантности» и «рецессивности»: любой аллель проявляется в фенотипе, если данный ген экспрессируется (наблюдается моноаллельное наследование).

В лаг-фазе в клетке имеется одна бактериальная хромосома, но в фазе экспоненциального роста ДНК реплицируется быстрее, чем происходит деление клетки; тогда число бактериальных хромосом на клетку увеличивается до 2. 4. 8. Такое состояние генетического аппарата называется полигаплоидностью.

При делении клетки сестринские копии бактериальной хромосомы равномерно распределяются по дочерним клеткам с помощью мезосомы.

Механизм сегрегации хромосомной подсистемы прокариотического генома обеспечивает полное сохранение объема и качества генетической информации, содержащейся в бактериальной хромосоме. В результате происходит прямое наследование признаков

Например, если в популяции нормальных прокариот (прототрофных, «дикого типа») в одной из клеток возникает мутация, определяющая неспособность синтезировать аминокислоту лейцин, то все потомство (клон, штамм) этой клетки не может существовать на среде, лишенной лейцина (сохраняет ауксотрофность по лейцину).

Из генетически гетерогенной популяции прокариот возможно выделение штаммов (клонов, генетически однородных чистых линий), сохраняющих гаплотип бактериальной хромосомы исходной клетки. В чистых линиях прокариот рекомбинация не происходит. Поэтому невозможно появление новых гаплотипов, новых сочетаний признаков. Например, существуют устойчивые двойные ауксотрофы по биотину и метионину.

В некоторых случаях один и тот же ген прокариотической хромосомы может быть представлен двумя копиями. Такие клетки (гетерогеноты) могут нести доминантные и рецессивные аллели одного гена. Тогда наблюдается диаллельное наследование, например, нормальный аллель прототрофности по лейцину доминирует над мутантным аллелем ауксотрофности.

Плазмидная подсистема прокариотического генома

Кроме бактериальной хромосомы в состав генома прокариот входят плазмиды – кольцевые молекулы ДНК длиной в тысячи п.н. Плазмиды такого размера содержат несколько десятков генов. Обычно это «гены роскоши», обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, тяжелым металлам, кодирующие специфические токсины, а также гены конъюгации и обмена генетическим материалом с другими особями. Известны также мелкие плазмиды длиной 2. 3 тпн, кодирующие не более 2 белков. У многих бактерий открыты мегаплазмиды длиной порядка миллиона пн, то есть немногим меньше бактериальной хромосомы. Существуют плазмиды, представленные одной копией – они реплицируются синхронно с ДНК бактериальной хромосомы. Другие плазмиды могут быть представлены многими копиями, и их репликация происходит независимо от репликации бактериальной хромосомы. Репликация свободных плазмид часто протекает по принципу «катящегося кольца» – с одной кольцевой матрицы ДНК считывается «бесконечная» копия.

Репликация плазмид может быть синхронизирована с репликацией бактериальной хромосомы, но может быть и независимой. Соответственно, распределение плазмид по дочерним клеткам может быть точным или статистическим. Точная сегрегация характерна для крупных малокопийных плазмид, а статистическая сегрегация – для мелких мультикопийных. В последнем случае одна дочерняя клетка получает избыточную (дублированную) генетическую информацию, а другая клетка может вообще утратить некоторые плазмидные гены

Единство хромосомной и плазмидной подсистем прокариотического генома

Некоторые плазмиды могут находиться в автономном и в интегрированном состоянии. В последнем случае плазмида включается в состав бактериальной хромосомы в определенных точках attB. Таким образом, одна и та же плазмида может включаться в состав хромосомы и может вырезаться из нее.

Это обеспечивает обмен генетической информацией между разными подсистемами прокариотического генома: хромосомной и плазмидной.

Репликация ДНК в эу- и прокариотических клетках

После того, как мы познакомились с основными периодами интерфазы в жизненном цикле клеток, необходимо более подробно разобрать процесс репликации ДНК в эу- и прокариотических клетках, проходящий в синтетическом (S) периоде интерфазы.

Репликация — процесс самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот (ДНК или РНК) с целью обеспечения точного копирования наследственного материала клеток организма и передачу его последующим поколениям.

Этапы репликации. Основные сведения о молекулярных основах репликации получены при изучении репликации ДНК бактерии кишечной палочки Е. coli. Оказалось, что, несмотря на имеющиеся различия в организации генома про- и эукариот, основные процессы и механизмы репликации у этих организмов сходны.

Репликация включает в себя несколько этапов, каждый из которых контролируется и направляется целым комплексом специальных белков-ферментов (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Репликация ДНК в синтетический период клеточного цикла

А — начальные этапы; Б — продолжение репликации: 1 — материанская двойная нить ДНК; 2 — топоизомераза; 3 — хеликаза; 4 — стабилизационные белки (SSB); 5 —ДНК-полимераза; 6 — праймаза; 7 — РНК-праймер (затравка);

8 — синтез запаздывающей цепи ДНК (фрагментов Оказаки); 9 — синтез основной (лидирующей) цепи ДНК; стрелки — направления синтеза новых цепей ДНК и всего процесса репликации

Для начала репликации необходимо деспирализовать хроматин и «расплести» двойную спираль ДНК. Деспирализацию хроматина проводят специальные гистонные белки (см. параграф 5.1). Затем двойную цепь ДНК «расплетают» специальные белки-ферменты топоизомеразы и хеликазы. Топоизомераза раскручивает спираль ДНК и образуется участок — «пузырь», где две соседние цепи ДНК разъединены. На каждом конце такого «пузыря» образуется точка начала репликации — репликативная вилка. Участок ДНК, где начинается и идет репликация называется — репликон.

На расплетенных нитях «родительской» ДНК в соответствии с законом комплементарности начинают синтезироваться «дочерние» нити, подчиняясь закону комплементарности пар нуклеотидов. В настоящее время доказана схема полуконсервативного синтеза ДНК. По этой схеме на каждой из расплетенных цепей ДНК достраивается новая цепь (рис. 5.17). Процесс синтеза новых цепей ДНК осуществляет сложным комплекс белков и ферментов, получивший название реплисома. Он состоит из: короткой молекулы РНК-праймера (затравки), запускающей синтез новой цепи фермента — праймазы, синтезирующей РНК-праймеры; фермента ДНК-полимеразы, соединяющего нуклеотиды в цепь.

Скорость синтеза ДНК составляет: у эукариот — 100—400 пар нуклеотидов в секунду; у прокариот значительно выше — около 3000 пар нуклеотидов в секунду.

Следующим этапом синтеза ДНК является «проверка» правильности синтеза новой цепи ДНК. Это делают также ферменты ДНК-полимеразы I и III. Это чрезвычайно важная работа, ведь каждая «ошибка» — это мутация, последствия которой предсказать невозможно. Механизм исправления ошибок заключается в вырезании поврежденного участка синтезируемой нити ДНК ферментами — нуклеазами и последующем восстановлении пробела с помощью ДНК-полимераз. Точность репликации очень высокая, ошибки встречаются реже, чем одна на 1 млн пар нуклеотидов.

Синтез новых цепей ДНК идет одновременно с двух «материнских» цепей антипараллельно, в направлении 5' конца к 3' концу. По одной нити ДНК, называемой главной, или ведущей, синтез идет непрерывно. По другой — антипараллельной, называемой запаздывающей или ведомой, синтез новой цепи ДНК идет отдельными фрагментами, каждый из которых запускается своим РНК-праймером. Эти фрагменты получили наименование по имени японского биолога — «фрагменты Оказаки». По мере синтеза фрагментов они сшиваются специальным ферментом — ДНК-лигазой в непрерывную цепь ДНК. Однонитевые участки ДНК в процессе репликации покрываются специальными стабилизирующими белками (SSB).

Репликация ДНК должна вовремя остановиться. Ферменты ДНК — полимеразы только добавляют в растущую цепь нуклеотиды и проверяют их правильное расположение. Кто же останавливает репликацию?

Рис. 5.17. Полуконсервативный способ репликации ДНК:

1 — материанская нить ДНК; 2 — вновь синтезированные (дочерние) нити ДНК

У прокариот ДНК кольцевая, т. е. не имеет конца, и синтез завершается, когда две репликативные вилки встречаются друг с другом. У эукариот эта проблема решается более сложным путем.

Теломеры. Еще в 1971 г. советский ученый Алексей Матвеевич Оловников предположил, что при репликации ДНК фермент ДНК- полимераза не может полностью скопировать всю молекулу ДНК и на ее концах остается нескопированный фрагмент — теломер.

Теломеры как концевые участки хромосом были открыты еще в 1938 г. лауреатами Нобелевской премии генетиками Б. Мак-Клинток и Г. Мёллером, однако тогда роль теломеров была неизвестна. Каждая хромосома имеет два теломера на концах. В клетках человека теломеры представлены фрагментом ДНК и состоят из несколько тысяч повторяющихся единиц последовательностей — (ТТАГГГ)п. Эти последовательности с высоким содержанием гуанина стабилизируют концы хромосом. Теломерные повторы — весьма консервативные последовательности. Повторы большинства позвоночных (включая человека) состоят из нуклеотидов (TTAGGG) п, повторы насекомых — (TTAGG)n, теломеры большинства растений — (TTTAGGG)n (табл. 5.5).

Таблица 5.5

Теломерные повторы в хромосомах разных организмов

Последовательность нуклеотидов 5'—» 3'

Trypanosoma

Neurospora Candida maltosa

Bombus mori

Chlamidomonas

Arabidopsis

Homo sapiens

В начале 1960-х гг. американский ученый Л. Хайфлик обнаружил, что клетки организма животных и человека способны делиться ограниченное количество раз. Для большинства тканей человека этот предел (лимит — Хайфлика) составляет примрно 50—70 делений, однако причина этого явления была долгое время непонятна. Было установлено, что теломеры клеток укорачиваются на 50—60 нуклеотидных звеньев при каждом клеточном делении. Предположили, что поскольку теломерная ДНК на концах хромосом имеет форму петли, то при достижении определенной длины образование кольца становится невозможным, и это воспринимается клеткой как повреждение и деление останавливается.

Когда длина теломер в клетке достигает еще более критического уровня (менее 2kb), наступает резкое изменение метаболизма клетки, в том числе происходит нарушение репликации ДНК и запускается механизм апоптоза, за которым следует гибель клетки.

Получалось, что хромосомы должны укорачиваться при каждом делении клетки за счет некопируемых концевых участков теломер. Оловников А. М. придумал, как эта проблема может решаться у эукариот, и выдвинул гипотезу о существовании специального фермента — теломеразы, способной добавлять к концу хромосомы недостающие повторяющиеся последовательности. Он также предположил, что регуляция работы этого фермента может играть ключевую роль в старении организма за счет «выключения» теломеразы и постепенного укорачивания концевых участков хромосом у клеток, которые в результате делятся лишь ограниченное число раз и стареют.

Неполадки в механизме такой регуляции могут быть причиной бесконтрольного деления клеток, что характерно для злокачественных опухолей (рака), которые отличаются достаточно высокой активностью теломеразы, которая и поддерживает длину теломер на постоянном уровне. К сожалению, теломеразная активность даже растет по мере роста опухоли. Кроме раковых клеток, теломераза активна в клетках эмбриональных тканей, способствует нормальному росту организма и формированию зрелых тканей и органов. Во взрослом организме теломераза не активна.

Теломераза состоит из РНК и белков. РНК-компонент теломеразы содержит короткий фрагмент (праймер), который служит матрицей для синтеза теломерной ДНК. По сути, теломераза является ферментом, сходным с обратной транскриптазой, поскольку РНК-теломераза является матрицей для синтеза недостающего фрагмента ДНК. Необходимо отметить, что теломераза активирует синтез лишь небольшого хвостового участка теломера, утрачиваемый вследствие концевой репликации. Основная же часть теломерной ДНК реплицируется путем обычного синтеза ведущей и отстающей цепей ДНК с помощью обычных ДНК-полимераз.

Теломерная теория во многом объяснила механизм роста и старения клеток и организма, открыла перспективы для лечения ряда болезней (особенно рака).

Выяснилось, что на состояние теломер оказывают влияние и внешние факторы (стресс, болезни). Исследование ДНК детей, которые подвергались в детстве сильному стрессу (физическое насилие), показало, что у них теломеры короче, чем у контрольной группы. Клетки с короткими теломерами становятся генетически нестабильными, предрасположены к злокачественному росту и раньше стареют.

Однако с течением времени стали накапливаться данные, которые не укладывались в теломерную теорию старения организмов. Так, при сравнении диких и лабораторных мышей выяснилось, что длина теломер у них резко различается: у лабораторных мышей она в 10 раз длиннее. Согласно теории, жить они должны дольше, чем их дикие сородичи, а оказалось, что живут они тот же срок. У ряда организмов (дрозофилы) вообще нет теломеразы, а в концы ее хромосом встроены мобильные генетические элементы, предотвращающие ее укорочение.

Тем не менее теломеры играют важную роль в метаболизме клеток и работе ядерного аппарата клетки:

• теломеры поддерживают целостность хромосом;
• обеспечивают точную репликацию хромосом;
• участвуют в мейотическом спаривании хромосомом, мейотиче- ской и митотической сегрегации хромосом и в организации ядра;
• ответственны за прикрепление хромосом к ядерному матриксу;
• защищают концы ДНК от деградации эндонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации.

Одновременно с процессом репликации ДНК в синтетическом периоде идет интенсивный синтез ядерных белков — гистонов, которые соединяются с вновь синтезируемыми нитями ДНК и формируют нормальную нуклеосомную структуру ДНК.

Особенности процесса репликации у прокариот:

1) прокариоты имеют одну кольцевую молекулу ДНК, т. е. одну хромосому. В зависимости от условий, нуклеоид бактериальной клетки может состоять из одной или нескольких копий одной и той же хромосомы. Так, у Azotobacter chroococcum в фазе роста на одну клетку приходится 20—25 копий хромосомы, у Desulfovibrio gigas — 9—17 копий хромосомы;
2) репликация ДНК у бактерий начинается со строго фиксированного сайта на хромосоме — oriC. Он включает в себя участки с так называемыми ДНК-боксами (DnaA-боксами) и расположенными между ними короткими последовательностями. OriC содержит сайты связывания белков, изгибающих ДНК — IHF (integration host factor) и FIS (factor for inversion stimulation) и помогающие белку — инициатору DnaA раскручивать ДНК. Белок DnaA играет ключевую роль в сборке репли- сомы — многокомпонентного белкового комплекса, осуществляющего двунаправленный синтез ДНК. Белок распознает область начала репликации и привлекает к месту сборки остальные белковые компоненты реплисомы. Репликация имеет, как у эукариот, полуконсервативный характер, идет одновременно в двух направлениях и заканчивается в строго фиксированной точке на хромосоме;
3) ключевой фермент репликации у прокариот — ДНК-полиме- раза III, работающая в комплексе с более чем двадцатью белками. Она катализирует синтез как ведущей, так и ведомой нити ДНК (табл. 5.6);

Сравнение репликативных и транскрипционных комплексов архей, бактерий и эукариот

Механизм сегрегации хромосом у бактерий (прокариот)

Как отмечено в предыдущем разделе, вряд ли любой из членов КОГ принципиально обладает иммунитетом против ГПГ, но некоторые гены в этом отношении «более равны, чем другие». Существенная часть генетического материала прокариот состоит из эгоистичных элементов, для которых горизонтальная мобильность является основным режимом их распространения; совокупность таких элементов в свое время была метко названа мобиломом (Frost et al., 2005). Мы также обсуждаем мобилом в контексте мира вирусов (см. гл. 10), но, чтобы описать в общих чертах формирующееся логически последовательное представление об эволюции прокариот, мы должны здесь вкратце рассмотреть наиболее яркие свойства генетических элементов этого класса. Мобилом состоит из бактериофагов, плазмид, транспозонов и генов, которые часто ассоциируются с ними и регулярно становятся «пассажирами», в числе прочих, системы рестрикции-модификации (ОМ) и токсины-антитоксины (ТА). Это представляется вполне естественным, так как вирусы и плазмиды мобильны по определению, так же как и системы защиты. Мобилом неразрывно связан с «главными» хромосомами прокариот. Вирусы (бактериофаги) и многие плазмиды систематически интегрируются в хромосомы, либо обратимо, в этом случае они часто мобилизируют хромосомные гены, либо необратимо, когда мобильные элементы «одомашниваются», превращаясь в «обычные» гены, изначально ОРС (см. выше раздел «Фрактальное пространство-время генома, пангеномы и кластеризация прокариот»). Со времен классического эксперимента Жакоба и Волмана в 1950-х было хорошо известно, что конъюгативные плазмиды могут быть посредниками при перемещении больших фрагментов бактериальных хромосом, a вирусы (бактериофаги) давно известны как посредники при переносе генов путем трансдукции (Bushman, 2001). Открытие АПГ, которые, по-видимому, являются специализированными векторами для ГПГ, еще более убедительно подтверждает существование механизмов, регулирующих обмен генетическим материалом между мобиломом и хромосомами (Paul, 2008).

Перенос плазмидами устойчивости к антибиотикам и путей вторичного метаболизма является хрестоматийным примером динамики бактериальной мобиломы, но роль плазмид далеко не исчерпывается такими относительно узкими областями биологии. На самом деле граница между хромосомами и плазмидами весьма размыта. Плазмиды являются репликонами (обычно циркулярными, но иногда и линейными), которые, подобно хромосомам прокариот, имеют точку начала репликации и кодируют по крайней мере некоторые из белков, участвующих в собственной репликации и сегрегации (распределении реплицированных плазмид между дочерними клетками в процессе деления). Ключевые белки, вовлеченные в процессы сегрегации плазмид и хромосом, в частности АТФазы семейств FtsK/HerA, гомологичны во всем мире прокариот (а также обнаружены у многих вирусов – см. гл. 10), факт, который подчеркивает общность эволюционного происхождения и стратегий различных прокариотических репликонов (Iyer et al., 2004b; McGeoch and Bell, 2008).

«Канонические» геномы многих бактерий и архей включают, в дополнение к «главной» хромосоме (или хромосомам), один или больше неотъемлемых, относительно больших и стабильных внехромосомных элемента, часто называемых мегаплазмидами. Мегаплазмиды могут удивительно долго сохраняться в процессе эволюции. Например, единственная мегаплазмида бактерии Thermus thermophilis гомологична одному или двум мегаплазмидам бактерии Deinococcus radiodurans и, следовательно, произошла от общего предка этих родственных, но сильно разошедшихся бактерий (Omelchenko et al., 2005). Однако в процессе эволюции этой древней группы бактерий мегаплазмиды накопили (относительно своих размеров) намного больше отличий в составе генов, чем хромосомы. Кроме того, мегаплазмиды имеют много горизонтально перенесенных генов, включая гены термофильных организмов, которые, очевидно, были приобретены линией Thermus и важны для их термофильного стиля жизни. Таким образом, хотя мегаплазмиды могут существовать в геномах прокариот в течение продолжительного по эволюционным меркам времени, они демонстрируют большую эволюционную пластичность, чем хромосомы, и служат своеобразными «запасниками» для ГПГ.

Почти все секвенированные геномы прокариот содержат следы интеграции многочисленных плазмид и фагов. В частности, примечательно, что большинство геномов архей обладают несколькими версиями оперона herA-nurA, который кодирует ключевые компоненты (АТФазы и нуклеазы) механизма сегрегации плазмид после репликации. Каждый из этих оперонов является остатком отдельного репликона, таким образом, слияние репликонов, по-видимому, является у прокариот достаточно частым событием. В ходе эволюции такая интеграция могла быть важным фактором, который сформировал наблюдаемую архитектуру хромосом прокариот (Iyer et al., 2004b; McGeoch and Bell, 2008).

Системы защиты и ответа на стресс, в частности, рестрикции-модификации и системы токсин-антитоксин можно рассматривать в качестве особых частей мобилома. Сравнительный анализ этих систем выявил быструю эволюцию и частый ГПГ; кроме того, они часто обнаруживаются в геномах плазмид и бактериофагов. Несмотря на их громадное молекулярное разнообразие, эти системы работают на одном и том же принципе – каждая содержит токсин, то есть белок, который либо разрушает хромосомную ДНК (ферменты рестрикции), либо блокирует систему трансляции в результате гидролиза мРНК или тРНК (соотвествующие токсины обладают эндонуклеазной активностью, специфичной к РНК), либо убивает клетку, вызывая образование отверстий в мембране (Kobayashi, 2001; Van Melderen and Saavedra De Bast, 2009). Вызванная токсинами гибель клетки в случае использования систем рестрикции-модификации предотвращается специфическим метилированием ДНК, a в случае систем токсин-антитоксин путем нейтрализации токсина антитоксином. Эта нейтрализация достигается либо посредством взаимодействия двух белков (токсина и антитоксина), либо посредством подавления трансляции мРНК токсина комплементарной к ней малой РНК, которая в этом случае выполняет роль антитоксина. Эти системы обладают свойствами эгоистичных элементов, которые эволюционировали таким образом, чтобы сделать клетки хозяина зависимыми от них (addicted). Когда клетка теряет соответствующие гены, она обычно погибает либо в результате действия токсина, поскольку токсины более стабильны, чем антитоксины, так что их активность после деградации антитоксинов, запасы которых перестают восполняться, резко возрастает, либо из-за ослабления активности ферментов модификации в результате снижения их концентрации, в то время как рестриктазы сохраняют активность. Из-за этого свойства токсин-антитоксинных систем плазмиды, которые переносят токсин-антитоксинные гены и, таким образом, гарантируют, что их хозяева «подсядут» на них, убивая клетки, которые утратили плазмиды, получают сильное селективное преимущество перед плазмидами, не имеющими токсин-антитоксинных систем. Известные к настоящему времени токсин-антитоксинные системы, вероятно, представляют, как принято говорить, лишь вершину айсберга, так как геномы бактерий и архей несут большое количество различных оперонов, имеющих свойства, сближающие их с токсин-антитоксинными оперонами (а именно пара генов, кодирующих небольшие белки, которая появляется в одинаковой комбинации в различных геномах и геномных окружениях), но которые не были (пока) экспериментально исследованы (Makarova et al., 2009a).

Недавно был открыт еще один очень необычный класс систем мобильной защиты, который присутствует у большинства архей и примерно одной трети бактерий из числа секвенированных геномов (Deveau et al., 2010; Koonin and Makarova, 2009). Эта система состоит из массива коротких палиндромных повторов, регулярно расположенных группами (CRISPR), и включает в себя около 50 отдельных семейств генов (ассоциированных с CRISPR и обозначаемых cas (CRISPR-associated). Примечательно, что здесь мы сталкиваемся со вторым по размерам (после рибосомного супероперона) массивом связанных между собой генов (генетическим окружением) в геномах прокариот (Rogozin et al., 2002). Система CRISPR-Cas защищает клетки прокариот от фагов и плазмид «ламарковским путем» (мы вернемся к этому вопросу более подробно в гл. 9): фрагмент гена фага или плазмида интегрируется в локус CRISPR на бактериальной хромосоме и впоследствии транскрибируется и используется посредством все еще плохо изученных механизмов для подавления репликации эгоистичных агентов. Система CRISPR-Cas демонстрирует выдающуюся пластичность даже между близкородственными штаммами бактерий и архей, а также, по-видимому, часто переносится путем ГПГ.

Избранные примеры, обсуждавшиеся выше, указывают на огромное, все еще не до конца понятое разнообразие мобилома прокариот и подчеркивают значительный вклад, который мобилом вносит в эволюцию геномного пространства-времени прокариот.

Цитоскелет прокариот

Ядерные поры, или ядерные поровые комплексы, — крупные белковые комплексы, пронизывающие ядерную мембрану и осуществляющие транспорт макромолекул между цитоплазмой и ядром клетки. Переход молекул из ядра в цитоплазму и в обратном направлении называется ядерно-цитоплазматическим транспортом.

Центр организации микротрубочек (ЦОМТ, англ. microtubule-organising centre, MTOC) — структура эукариотической клетки, на которой собираются микротрубочки. ЦОМТ имеет две основные функции — сборка жгутиков и ресничек, а также образование нитей веретена деления в ходе митоза и мейоза.

Я́дерная мембра́на, или ядерная оболо́чка, или кариоле́мма, или кариоте́ка, или нуклеоле́мма — двойной липидный бислой, мембрана, окружающая ядро в эукариотических клетках.

Нуклео́ид (англ. Nucleoid) — неправильной формы зона в цитоплазме прокариотической клетки, в которой находится геномная ДНК и ассоциированные с ней белки. На долю ДНК приходится около 60 % массы нуклеоида; помимо ДНК, нуклеоид содержит РНК и белки. Белки нуклеоида, которые обеспечивают пространственную организацию геномной ДНК, называют нуклеоидными белками или нуклеоид-ассоциированными белками; они не имеют ничего общего с гистонами, упаковывающими ДНК у эукариот. В отличие от гистонов, ДНК-связывающие.

Пили́, или фи́мбрии, или ворси́нки — нитевидные белковые структуры, расположенные на поверхности клеток многих бактерий. Размер пилей варьирует от долей мкм до более чем 20 мкм в длину и 2—11 нм в диаметре. Пили участвуют в передаче генетического материала между бактериальными клетками (конъюгация), прикреплении бактерий к субстрату и другим клеткам, отвечают за адаптацию организмов, служат местами прикрепления многих бактериофагов.

Флагеллин — бактериальный белок, который способен самоорганизовываться в полые цилиндрические структуры, образующие филаменты бактериальных жгутиков. Это главный компонент жгутиков и представлен в больших количествах у всех жгутиковых бактерий. Флагеллин является лигандом для рецептора врождённой иммунной системы TLR5.

Белковая субъединица в структурной биологии — полипептид, который вместе с другими компонентами собирается в мультимерный или олигомерный белковый комплекс. Многие природные ферменты и другие белки состоят из нескольких белковых субъединиц.

Я́дерная лами́на — фибриллярная сеть жесткой структуры, подстилает ядерную мембрану (находится под ядерной мембраной), участвует в организации хроматина.

Клеточный центр, или центросома (от др.-греч. σῶμα — тело) — немембранный органоид в клетках эукариот, состоит из двух центриолей и перицентриолярного материала. Является главным центром организации микротрубочек (ЦОМТ) эукариотической клетки, играет важнейшую роль в клеточном делении, участвуя в формировании веретена деления. Из центросомы образуются реснички и жгутики. Центросомы характерны для клеток животных, их нет у высших растений, у высших грибов, у некоторых простейших. Ряд наследственных.

Конденсины — большие белковые комплексы, которые играют главную роль в расхождении хромосом во время митоза и мейоза.

Кинетохор — белковая структура на хромосоме, к которой крепятся волокна веретена деления во время деления клетки. Кинетохоры играют важнейшую роль при сегрегации хромосом для последующего разделения родительской клетки на две дочерние.Кинетохоры формируются на центромерах хромосом у эукариотов. Кинетохоры подразделяют на две области — внутреннюю, крепко связанную с центромерной ДНК, и внешнюю, взаимодействующую с микротрубочками веретена деления.

Принцип компартментализации клеток эукариот постулирует, что биохимические процессы в клетке локализованы в определённых отсеках, покрытых оболочкой из бислоя липидов. Большинство органоидов в эукариотической клетке являются компартментами — митохондрии, хлоропласты, пероксисомы, лизосомы, эндоплазматический ретикулум, ядро клетки и аппарат Гольджи. Внутри ряда компартментов (в том числе ядра) выделяются также субкомпартменты, различающиеся по форме и функциям.

Вне́шняя бактериа́льная мембра́на, или нару́жная бактериа́льная мембра́на (англ. bacterial outer membrane) — биологическая мембрана, располагающаяся поверх слоя пептидогликана у грамотрицательных бактерий. По составу она отличается от внутренней, клеточной мембраны. На её поверхности находятся липополисахариды, являющиеся антигенами грамотрицательных патогенных бактерий.

Я́дерный ма́трикс, или я́дерный скеле́т (англ. nuclear matrix) — скелетная структура клеточного ядра, поддерживающая форму и некоторые особенности морфологии ядра. В состав ядерного матрикса входят ядерная ламина, остаточное ядрышко и так называемый диффузный матрикс — сеть филаментов и гранул, соединяющих ядерную ламину с остаточным ядрышком.

В биохимии, димер — макромолекулярный комплекс, образованный двумя, как правило, не ковалентносвязаными макромолекулами, такими как белки или нуклеиновые кислоты. Белковый димер — это четвертичная структура белка.

Тубули́н — белок, из которого построены микротрубочки. В них, а также в цитоплазме клеток он находится в форме димера из одной молекулы α-тубулина и одной — β-тубулина. В составе такого димера к каждой молекуле тубулина присоединена молекула ГТФ. У каждой из этих субъединиц выделяют три домена. Форма γ-тубулина принимает участие в нуклеации микротрубочек, то есть образовании затравки, с которой начинается рост. Тубулин способен связывать в растворе молекулы ГТФ. Рост микротрубочек осуществляется.

Кавео́лы (от лат. caveola — «малая пещера») — небольшие (размером 50—100 нм) колбообразные впячивания плазматической мембраны в клетках позвоночных многих типов, в особенности эндотелиальных клетках (где они и были впервые обнаружены), адипоцитах и альвеолоцитах I типа (кавеолы могут составлять 30—70 % мембран этих клеток). В состав кавеол входит ключевой белок — кавеолин, а также такие липиды, как холестерин и сфинголипиды. Кавеолы участвуют в передаче клеточных сигналов, эндоцитозе, онкогенезе.

Промежуточные филаменты (ПФ) — нитевидные структуры из особых белков, один из трех основных компонентов цитоскелета клеток эукариот. Содержатся как в цитоплазме, так и в ядре большинства эукариотических клеток. Средний диаметр ПФ — около 10 нм (9-11 нм), меньше, чем у микротрубочек (около 25 нм) и больше, чем у актиновых микрофиламентов (5-9 нм). Название получили из-за того, что толщина цитоскелетных структур, состоящих из ПФ, занимала промежуточное положение между толщиной миозиновых филаментов.

Клатрин (англ. clathrin) — внутриклеточный белок, основной компонент оболочки окаймлённых пузырьков, образующихся при рецепторном эндоцитозе.

Телофа́за — фаза митотического деления эукариотических клеток, во время которой два набора дочерних хромосом достигают полюсов веретена деления и деконденсируются. Начинается сборка ядерной оболочки вокруг каждого набора хромосом. Разделение цитоплазмы достигается путём сокращения сократительного кольца (цитокинез).

Га́зовые вези́кулы (англ. Gas vesicle) — заполненные газом микрокомпартменты, обеспечивающие повышенную плавучесть клеток у примерно 150 видов планктонных бактерий и архей. Особенно часто газовые вакуоли встречаются у цианобактерий. Мембрана, ограничивающая газовую везикулу, имеет белковую природу, а внутри газовой везикулы находится атмосферный воздух. Газовые везикулы располагаются в цитоплазме поодиночке или образуют сотовидные скопления, которые иногда неправильно называют газовыми вакуолями.

Экзонуклеазы — белки из группы нуклеаз, отщепляющие концевые мононуклеотиды от полинуклеотидной цепи путём гидролиза фосфодиэфирных связей между нуклеотидами.

Нуклеосома — это структурная часть хромосомы, образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками H2А, H2B, H3 и H4. Последовательность нуклеосом, соединенная гистоновым белком H1, формирует нуклеофиламент, или иначе нуклеосомную нить.

Сигнальный пептид, или сигнальная последовательность, — короткая (от 3 до 60 аминокислот) аминокислотная последовательность в составе белка, которая обеспечивает котрансляционный или посттрансляционный транспорт белка в соответствующую органеллу (ядро, митохондрия, эндоплазматический ретикулум, хлоропласт, апопласт или пероксисома). После доставки белка в органеллу сигнальный пептид может отщепляться под действием специфической сигнальной протеазы.

Цитокинез, цитотомия — деление тела эукариотической клетки. Цитокинез обычно происходит после того, как клетка претерпела деление ядра (кариокинез) в ходе митоза или мейоза. В большинстве случаев цитоплазма и органоиды клетки распределяются между дочерними клетками приблизительно поровну.

Деградосо́ма (англ. degradosome) — мультибелковый бактериальный комплекс, который участвует в процессинге рибосомальной РНК и деградации матричной РНК, регулируется некодирующими РНК. Он состоит из РНК-хеликазы B, рибонуклеазы Е (РНКазы Е), полинуклеотидфосфорилазы, а также гликолитического фермента енолазы. Деградосому можно изучать с помощью электронной микроскопии.

Органеллы (от орган и др.-греч. εἶδος — вид), — постоянные компоненты клетки, жизненно необходимые для её существования. Органеллы располагаются во внутренней части клетки — цитоплазме, в которой, наряду с органеллами, могут находиться различные включения.

Гомеодомен — это структурный домен белков, связывающих ДНК или РНК, широко распространенный среди факторов транскрипции. Домен состоит из 60 остатков аминокислот, и образует структуру спираль-поворот-спираль, в которой альфа-спирали связаны короткими петлевыми участками. Две спирали на N-конце являются антипараллельными, и длиннее спирали на C-конце, которая перпендикулярна осям N-концевым петлям. Непосредственно С-концевая спираль взаимодействует с ДНК. Укладка доменов белков по типу гомеодомена.

Карбоксисо́мы (полиэдральные тела) — микрокомпартменты в клетках бактерий, содержащие фиксирующие углерод ферменты. Они представляют собой многогранные однослойные белковые тела полиэдрической формы от 80 до 140 нанометров в диаметре. Они являются основной частью механизма концентрирования CO2, что помогает преодолеть неэффективность рибулозодифосфаткарбоксилазы (Рубиско) — главного фермента, лимитирующего скорость фиксации углерода в цикле Кальвина. Эти органеллы обнаружены во всех цианобактериях.

Полярное тельце веретена (ПТВ) — центр организации микротрубочек, грибной эквивалент центросомы клеток животных. В отличие от центросомы в ПТВ нет центриолей. У дрожжей S. cerevisiae под электронным микроскопом оно выглядит как электронно-плотная многослойная структура, встроенная в оболочку ядра. Помимо основной функции (центр организации микротрубочек), полярное тельце веретена опосредованно участвует в сегрегации хромосом, расположении ядер в клетке, кариогамии и ориентации веретена деления. Кроме.

Фибриллярные белки — белки, имеющие вытянутую нитевидную структуру, в которой отношение длинной оси молекулы к короткой (степень асимметрии) составляет от 80 до 150. Большинство фибриллярных белков не растворяется в воде, имеет большую молекулярную массу и высокорегулярную пространственную структуру, которая стабилизируется, главным образом, взаимодействиями (в том числе и ковалентными) между различными полипептидными цепями. Первичная и вторичная структура фибриллярного белка также, как правило.

Гены «домашнего хозяйства» (англ. housekeeping genes) — это гены, необходимые для поддержания важнейших жизненных функций организма, которые экспрессируются практически во всех тканях и клетках на относительно постоянном уровне. Гены домашнего хозяйства функционируют повсеместно, на всех стадиях жизненного цикла организма.

Бактериа́льная кле́тка обычно устроена наиболее просто по сравнению с клетками других живых организмов. Бактериальные клетки часто окружает капсула, которая служит защитой от внешней среды. Для многих свободноживущих бактерий характерно наличие жгутиков для передвижения, а также ворсинок.

Двухкомпоне́нтная систе́ма (англ. Two-component system) — молекулярно-биологический механизм, позволяющий клеткам ощущать и отвечать на изменения различных параметров окружающей среды. Как правило, двухкомпонентная система состоит из мембраносвязанной гистидинкиназы, которая ощущает изменения окружающей среды, и соответствующего регулятора ответа, который обеспечивает клеточный ответ, главным образом за счёт дифференциальной экспрессии генов-мишеней. Хотя двухкомпонентные системы обнаружены у представителей.

Фагосома, или пищеварительная вакуоль, — вакуоль, образующаяся в процессе фагоцитоза, внутри которой находятся субстраты, подлежащие перевариванию.

Лакто́зный репре́ссор (англ. Lac repressor) — ДНК-связывающий белок, который ингибирует экспрессию генов, кодирующих белки лактозного оперона. Кодируется геном lacI. Белки лактозного оперона участвуют в метаболизме лактозы в клетках бактерий. Эти гены подавляются, когда лактоза недоступна клеткам, гарантируя, что бактериальная клетка не будет тратить энергию на синтез белков, метаболизирующих лактозу, в условиях её отсутствия. Когда лактоза становится доступной, она преобразуется в аллолактозу, которая.

Сплайсосо́ма — структура, состоящая из молекул РНК и белков и осуществляющая удаление некодирующих последовательностей (интронов) из предшественников мРНК. Этот процесс называется сплайсингом (от англ. splicing — сращивание).

Когези́н — это комплекс белков, который регулирует процесс разделения сестринских хроматид в ходе деления клетки (как мейоза, так и митоза).

Микрофиламенты (актиновые микрофиламенты, МФ) — нити, состоящие из молекул глобулярного белка актина и присутствующие в цитоплазме всех эукариотических клеток. В мышечных клетках их также называют «тонкие филаменты» (толстые филаменты мышечных клеток состоят из белка миозина). Под плазматической мембраной микрофиламенты образуют трёхмерную сеть; в цитоплазме формируют пучки из параллельно ориентированных нитей или трехмерную сеть. Имеют диаметр около 6—8 нм.

Гликаны, в состав которых входят одинаковые углеводные звенья (гомополисахариды), называются гомогликанами, если цепь образована различными углеводными звеньями (гетерополисахариды) — гетерогликанами.

Липи́дные ра́фты — особые участки (микродомены) плазматической мембраны, обогащённые гликосфинголипидами и холестерином. Эти участки координируют клеточные процессы, влияют на текучесть мембраны, служат организующими центрами для сборки сигнальных молекул, регулируют перемещение мембранных белков, рецепторов, а также регулируют нейротрансмиссию. Липидные рафты более структурированы и упакованы плотнее, чем окружающий их липидный бислой; при этом они способны свободно в нём перемещаться.

Метафа́за — фаза митотического деления эукариотических клеток, начало которой знаменует выход хромосом в экваториальную плоскость клетки.

Кристы (ед. ч. криста) — это складки внутренней мембраны митохондрий. Название происходит от лат. crista, что значит гребень или плюмаж. Они придают внутренней мембране характерную измятую форму, что обеспечивает значительное увеличение поверхности для протекания биохимических реакций. Это увеличивает эффективность клеточного дыхания, поскольку внутренняя мембрана митохондрий усыпана белками, такими как АТФ-синтаза и рядом дыхательных ферментов, осуществляющих окислительное фосфорилирование. У разных.

Третичная структура (или трёхмерная структура) — пространственное строение (включая конформацию) всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи.

Центромера — участок хромосомы, который связывает сестринские хроматиды, играет важную роль в процессе деления клеточного ядра и участвует в контроле экспрессии генов. Характеризуется специфическими последовательностью нуклеотидов и структурой.

Цитоскеле́т — это клеточный каркас или скелет, находящийся в цитоплазме живой клетки. Он присутствует во всех клетках эукариот, причем в клетках прокариот обнаружены гомологи всех белков цитоскелета эукариот. Цитоскелет — постоянная структура, в функции которой входит поддержание и адаптация формы клетки ко внешним воздействиям, экзо- и эндоцитоз, обеспечение движения клетки как целого, активный внутриклеточный транспорт и клеточное деление.

Сигна́л я́дерной локализа́ции (англ. nuclear localization signal, NLS) — участок молекулы белка, необходимый и достаточный для его локализации в ядре клетки. Сигнал ядерной локализации — это место узнавания белка транспортными факторами — кариоферинами (транспортинами), которые осуществляют его перенос в ядро.

Интерфа́за (англ. interphase) — период клеточного цикла, подразделяющийся на G1-, S- и G2-фазы. Во время интерфазы клетка готовится к будущему делению: растёт, удваивает количество цитоплазмы, клеточных белков и органелл. В S-фазе происходит удвоение хромосом и центросом (клеточных центров).

Читайте также: