Структурная организация геномов вирусов, прокариот и эукариот

Однако в начале 2002 г. две исследовательские группы - одна из Китая, другая из Швейцарии и США - опубликовали результаты полного чернового (приблизительного) секвенирования генома риса, выполненного с помощью технологии тотального клонирования. В отличие от поэтапного (иерархического) изучения, тотальный подход основан на одномоментном клонировании всей геномной ДНК в одном из вирусных или бактериальных векторов и получении значительного (огромного для средних и крупных геномов) количества отдельных клонов, содержащих различные отрезки ДНК. На основании анализа этих секвенированных участков и наложения друг на друга идентичных концевых участков ДНК образуется контиг - цепочка стыкованных между собой последовательностей ДНК. Общий (суммарный) контиг представляет собой первичную структуру всего генома или, по крайней мере, индивидуальной хромосомы.

В таком схематичном изложении стратегия тотального клонирования кажется несложной. На деле она встречает серьезные трудности, связанные с необходимостью получения огромного количества клонов (принято считать, что изучаемый геном или его участок должен быть перекрыт клонами, по крайней мере, 10 раз), гигантским объемом секвенирования и чрезвычайно сложной работой по стыковке клонов, требующей участия специалистов по биоинформатике. Серьезным препятствием на пути тотального клонирования служат разнообразные повторяющиеся участки ДНК, число которых, как уже упоминалось, резко возрастает по мере увеличения размера генома. Поэтому стратегию тотального секвенирования используют преимущественно при изучении геномов вирусов и микроорганизмов, хотя она и была успешно применена для исследования генома дрозофилы.

Для секвенирования генома риса упомянутые выше исследовательские группы взяли два его подвида, наиболее широко культивируемые в азиатских странах, - Oriza saliva L. ssp indicaj и Oriza saliva L. sspjaponica. Результаты их исследований во многом совпадают, но во многом и различаются. Так, представители обеих групп заявили, что ими достигнуто перекрывание контигами приблизительно 92-93% генома. Показано, что около 42% генома риса представлено короткими повторами ДНК, состоящими из 20 пар нуклеотидов, и большинство подвижных ДНК-элементов (транспозонов) находится в межгенных участках. Однако сведения о размерах генома риса существенно различаются.

Для японского подвида размер генома определен равным 466 млн. пар нуклеотидов, а для индийского - 420 млн. Причина такого расхождения не ясна. Оно может быть следствием различных методических подходов в определении размеров некодирующей части геномов, то есть не отражать истинного положения дел. Но не исключено, что 15%-ное различие в размере изученных геномов действительно существует.

Второе серьезное расхождение выявилось в числе обнаруженных генов: для японского подвида - от 46022 до 55615 генов на геном, а для индийского - от 32000 до 50000. Причина такого расхождения не ясна. Возможно, что пробелы в знаниях генома риса будут устранены при сопоставлении данных "чернового секвенирования" с результатами детального, иерархического секвенирования, проводимого участниками Международного проекта "Геном риса".

Сравнение свойств геномов арабидопсиса и риса показало, что большая часть генов (до 80%), выявленных в геноме арабидопсиса, обнаружена и в геноме риса, однако приблизительно для половины генов, обнаруженных у риса, пока не удалось найти аналогов (ортологов) в геноме арабидопсиса. В то же время 98% генов, первичная структура которых установлена для других злаков, выявлены в геноме риса. Вызывает недоумение существенное (почти в два раза) расхождение в числе генов у риса и арабидопсиса. При этом данные черновой расшифровки генома риса, полученные с помощью тотального секвенирования, практически не сопоставлены с обширными результатами изучения генома риса методом иерархического клонирования и секвенирования, то есть не осуществлено то, что сделано в отношении генома дрозофилы. Поэтому остается неясным, отражает ли различие числа генов у арабидопсиса и риса истинное положение дел или же оно объясняется различием в методических подходах.

В отличие от генома арабидопсиса, сведения о генах-двойниках в геноме риса не приведены. Не исключено, что их относительное количество может быть больше у риса, чем у арабидопсиса. В пользу такой возможности косвенно свидетельствуют данные о наличии полиплоидных форм риса.

Что касается функции генов растений, то мы знаем о них менее одной десятой того, что нам известно о генах человека (табл. 2). Даже у арабидопсиса, геном которого по степени изученности намного превосходит геном человека, функция почти половины его генов остается неизвестной. Между тем у растений, кроме генов, общих с животными, имеется значительное число генов, специфичных только для них. Речь идет о генах, вовлеченных в транспорт воды и синтез клеточной стенки, отсутствующей у животных, о генах, обеспечивающих образование и функционирование хлоропластов, фотосинтез, фиксацию азота и синтез многочисленных ароматических продуктов.

Таблица 2 Классификация по функции генов арабидопсиса

Полное секвенирование генома дает близкие к истинным сведения об общем количестве генов данного организма, позволяет поместить в банки данных более или менее подробные и достоверные сведения об их структуре, облегчает работу по выделению и изучению индивидуальных генов. Однако секвенирование генома отнюдь не означает установления функции всех генов. Один из наиболее перспективных подходов функциональной геномики базируется на выявлении работающих генов, на которых идет транскрипция (считывание) мРНК. Этот подход, в том числе использующий современную технологию микрочипов, позволяет одновременно выявлять до десятков тысяч функционирующих генов. Недавно с помощью такого подхода начато изучение геномов растений. Для арабидопсиса удалось получить около 26 тыс. индивидуальных транскриптов, что резко облегчает возможность определения функции практически всех его генов.

Знание генов, механизмов их экспрессии и регуляции чрезвычайно важно для развития биотехнологии и получения трансгенных растений. Очевидно, что структурные исследования геномов растений будут базироваться на подходах и методах сравнительной геномики с использованием в качестве основного материала результатов расшифровки геномов арабидопсиса и риса. Существенную роль в развитии сравнительной геномики растений будут, без сомнения, играть сведения, которые рано или поздно предоставит тотальное секвенирование геномов других растений. При этом сравнительная геномика растений будет основываться на установлении генетических взаимосвязей отдельных локусов и хромосом, относящихся к разным геномам. Речь пойдет не столько об общей геномике растений, сколько об избирательной геномике отдельных хромосомных локусов. Так, было показано, что ген, ответственный за яровизацию, расположен в локусе VRn-AI хромосомы 5А гексаплоидной пшеницы и локусе Hd-6 хромосомы 3 риса. Развитие этих исследований явится мощным толчком к идентификации, выделению и секвенированию многих функционально важных генов растений, в частности генов, ответственных за устойчивость к болезням, засухоустойчивость, приспособленность к различным условиям произрастания.

Можно предвидеть дальнейшее совершенствование хромосомных технологий, прежде всего метода микродиссекции. Его использование резко расширяет возможности геномных исследований, не требуя огромных затрат, как, например, тотальное секвенирование геномов. Получит дальнейшее распространение метод локализации на хромосомах растений отдельных генов с помощью гибридизации in situ. В настоящий момент его применение ограничено огромным числом повторяющихся последовательностей в геноме растений, а возможно, и особенностями структурной организации хромосом растений.

Хромосомные технологии в обозримом будущем приобретут большое значение и для эволюционной геномики растений. Эти технологии, относительно недорогие, позволяют быстро оценивать внутри- и межвидовую вариабельность, изучать сложные аллополиплоидные геномы тетраплоидной и гексаплоидной пшеницы, тритикале; анализировать эволюционные процессы на хромосомном уровне; исследовать образование синтетических геномов и введение (интрогрессия) чужеродного генетического материала; выявлять генетические взаимоотношения между индивидуальными хромосомами различных видов.

Геном пластид

Хлоропласты имеют собственную генетическую систему, обеспечивающую синтез ряда белков внутри самих пластид. В матриксе хлоропластов обнаруживаются ДНК, разные РНК и рибосомы. Оказалось, что ДНК хлоропластов резко отличается от ДНК ядра. Она представлена циклическими молекулами длиной до 40-60 мкм, имеющими молекулярный вес 0,8-1,3х 108 дальтон. Размер ДНК хлоропластов составляет обычно 120-200 тпн.

В одном хлоропласте может быть множество копий ДНК. Зеленая водоросль Chlamidomonas имеет около 75 копий молекул хлДНК на одну органеллу. Каждая копия содержит ДНК длиной 195000 пн. У высших растений, например у гороха, множественные копии хлДНК присутствуют в каждой органелле, но размер молекул гораздо меньше (134 т.п.н.), чем у хламидомонады.

Длительность цикла и скорость репликации ядерной и хлоропластной ДНК, не совпадают. ДНК хлоропластов не состоит в комплексе с гистонами. Все эти характеристики ДНК хлоропластов близки к характеристикам ДНК прокариотических клеток. Более того, сходство ДНК хлоропластов и бактерий подкрепляется еще и тем, что основные регуляторные последовательности транскрипции (промоторы, терминаторы) у них одинаковы. На ДНК хлоропластов синтезируются все виды РНК (информационная, трансферная, рибосомная). ДНК хлоропластов кодирует рРНК, входящую в состав рибосом этих пластид, которые относятся к прокариотическому 70S типу (содержат 16S и 23S рРНК).

В последнее время удалось полностью расшифровать всю последовательность нуклеотидов в составе циклической молекулы ДНК хлоропластов высших растений. Первыми секвенированными геномами пластид были геном пластид Marchantia polymorpha и Nicotiana tabacum. Кольцевая молекула пластидной ДНК состоит из четырех зон:

- большой однокопийный район (LSC - large single copy);

- малый однокопийный район (SSC - small single copy);

- два инвертированных района.

Размеры большого и малого однокопийных районов маршанции и табака очень близки, в то время как инвертированный повтор у табака в два с половиной раза длиннее, чем у маршанции. Наиболее протяженные инвертированные повторы найдены у герани, благодаря чему размер хлоропластной ДНК очень большой (217 тпн). У некторых растений инвертированного повтора в хлоропластной ДНК нет (горох, бобы, эвглена).

ДНК пластид может кодировать до 120 генов. Все гены, найденные в хлоропластной ДНК условно разделены на 2 групп. К первой группе относят гены, связанные с работой генетического аппарата пластид. Среди них: гены 4 рибосомных РНК, гены тРНК, 20 рибосомных белков хлоропластов, гены некоторых субъединиц РНК-полимеразы хлоропластов. Гены рРНК располагаются в последовательности 16S - 23S - 4,5S - 5S, прерываемой обычно между 16S и 23S несколькими генами транспортных РНК. Чаще всего это изолейциновые и аланиновые тРНК. Данный генный кластер получил обозначение rrn. Гены рибосомальных белков собраны в опероны. У табака 10 из 21 (rps + rpl) гена представляют собой самый большой хлоропластных кластер ctL23, в который входят дополнительного два гена, связанных с синтезом белка - ген инициирующего фактора (IF1) и ген субъединицы РНК-полимеразы. Оперон rpl23 включает 12 генов рибосомальных белков у табака.

Кроме того в хлоропластном геноме обнаружены гены, связанные с регуляцией экспрессии генома пластид: факторы инициации транскрипции, тРНК-синтетазы, субъединицы факторов элонгации и хеликазы, участвующей в репликации.

Ко второй группе принадлежат гены белков I и II фотосистем, 9 из 12 субъединиц АТФ-синтетазы, части белков комплексов цепи переноса электронов, одной из субъединиц рибулозодифосфат-карбоксилазы (ключевой фермент связывания СО 2). Это группа так называемых "фотосинтетических" генов.

В хлоропластах также найдены гены, аналогичные по нуклеотидной последовательности генам NADH-дегидрогеназы митохондрий; чаще всего их выделяют в самостоятельную группу.

Геном растительных митохондрий

Митохондриальная ДНК высших растений составляет чаще всего менее 1% тотальной ДНК, однако в исключительных случаях (например, клетки гипокотиля дыни) может достигать 15%. Исследование генома митохондрий выявило совершенно уникальные его особенности. В 1979 году было обнаружено, что в митохондриях нередки отклонения от универсального генетического кода. Эти отклонения были найдены позже во многих организмах, особенно в митохондриях животных и грибов. Так, в митохондриях человека кодон АУА кодирует аминокислоту метионин вместо изолейцина в стандартном коде. Кодоны АГА и АГГ, в стандартном коде кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон УГА, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует триптофан. Митохондрии растений, по-видимому, используют нормальный генетический код.

Другой необычной чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов транспортными РНК, что приводит к тому, что одна молекула узнает сразу четыре кодона. Указанное изменение митохондриального генетического кода уменьшает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к тому, что требуется меньше транспортных РНК. Всего 22 транспортных РНК достаточно для узнавания всех 64 кодонов, тогда как для обычных рибосом их должно быть не менее 32 (в некоторых организмах найдено до 61).

Митохондриальный геном кодирует 13 субъединиц комплексов дыхательной цепи. Ядерный геном кодирует остальные белки - переносчики электронов, митохондриальные транслоказы, компоненты транспорта белков в митохондрии, факторы, необходимые для транскрипции, трансляции и репликации митохондриальной ДНК. Поэтому можно сказать, что функционирование митохондрии представляет собой диалог между двумя геномами: митохондриальным и ядерным. Некоторые митохондриальные гены представлены копиями в ядерном (а у растений и в хлоропластном) геноме.

Особенность митохондриального генома многих организмов - это необычайно частое изменение структуры синтезированной РНК, так называемое редактирование. Иными словами, митохондриальный геном содержит немало ошибок, исправляемых в процессе созревания матричных РНК. У высших растений исправляется от 3 до 15% нуклеотидов (в отдельных мРНК до 40%), у простейших - до 50%. В водорослевых митохондриях редактирование отсутствует, что свидетельствует о том, что данное свойство появилось в эволюции в связи с выходом растений на сушу. Редактирование наблюдается и в пластидах, но там оно составляет всего около 0,13% кодонов. Редактирование включает обычно замену Ц на У в строго определенных местах, но в некоторых случаях, наоборот, происходит замена У на Ц. Процесс осуществляется специфическими ферментами, исправлению подвергаются различные участки РНК, преимущественно участки, кодирующие аминокислоты, но могут модифицироваться последовательности, соответствующие стоп-кодонам, а также последовательности внутри интронов. Сплайсинг имеет место в митохондриях, хотя он почти отсутствует у эубактерий, от которых они произошли. Более того, вырезаемые участки (интроны) митохондрий могут кодировать белки (матюразы), функция которых - осуществлять сам этот процесс вырезания.

РНК-редактирование включает разнообразные механизмы. Оно, в частности, приводит к формированию функциональных транспортных РНК митохондрий и возникло, по-видимому, как механизм, предотвращающий накопление мутаций в асексуальных генетических системах. Митохондрии являются такой системой, поскольку они размножаются путем деления.

Растительные митохондрии сильно отличаются от митохондрий животных. Они имеют дополнительные пути электронного транспорта, не сопряженные с синтезом АТФ, включая несопряженные окисления НАДН и НАДФН снаружи и изнутри митохондрии, а также несопряженный перенос электронов с убихинона на кислород. Белки, осуществляющие эти реакции (альтернативные НАД(Ф)Н-дегидрогеназы и альтернативная оксидаза, устойчивая к цианиду), кодируются в ядре. Функция этих путей, по-видимому, связана с фотосинтезом и заключается в необходимости быстрого окисления фотосинтетически образуемых субстратов. Митохондрии фотосинтезирующих тканей способны интенсивно окислять глицин, образующийся в листьях в больших количествах и являющийся продуктом фотодыхания.

Геном митохондрий растений значительно больше генома животных митохондрий. Например, у арабидопсиса митохондриальный геном содержит 370 тыс. пар нуклеотидов, то есть он в 20 раз больше, чем у человека (у которого он содержит менее 17 тыс. пар нуклеотидов). В этом геноме также гораздо больше генов - примерно в 7 раз больше, чем в митохондриях человека. Размер митохондриального генома растений сильно варьирует, даже внутри одного семейства иногда в 5-10 раз. Например, в семействе тыквенных у арбуза митохондриальный геном даже меньше, чем у арабидопсиса (330 тыс. пар нуклеотидов), у тыквы он содержит 850 тыс. пар нуклеотидов, а у дыни - 2400 тыс. пар нуклеотидов. Таким образом, митохондрии содержат гораздо большие геномы, чем пластиды (последние обычно содержат 120-160 тыс. пар нуклеотидов), однако в митохондриальном геноме растений гораздо меньше уникальных кодирующих последовательностей.

Большая вариабельность связана с рекомбиногенной природой генома митохондрий высших растений. Митохондриальный геном растений обычно состоит из одной большой и нескольких маленьких молекул ДНК. Каждый митохондриальный растительный геном представлен множеством молекул, образованных рекомбинацией между повторяющимися последовательностями и их рекомбиногенными перестановками. Рекомбинационные повторы, как прямые, так и инвертированные обнаружены практически во всех секвенированных митохондриальных геномах растений, за исключением Brassica hirta, Marchantia polymorpha. Две пары рекомбинационных повторов у арабидопсиса имеют размер 6,5 и 4,2 т.п.н. У кукурузы найдено пять прямых рекомбинационных повторов и один инвертированный. Одним из наиболее сложных по структуре оказался митохондриальный геном пшеницы, содержащий 10 рекомбинационных повторов.

Количество митохондрий в растительной клетке составляет от 50 до 2000, и каждая митохондрия содержит от 1 до 100 копий генома. В настоящее время полностью секвенирована последовательность митохондриального генома печеночника маршанции, арабидопсиса.

Митохондриальный геном растений кодирует три рибосомные РНК, 16 (то есть более половины) транспортных РНК, около 10 рибосомальных белков, некоторые белки дыхательной цепи, часть субъединиц (3) АТФ-синтетазы, четыре белка, участвующих в синтезе цитохрома с. Рекомбинации и мутации митохондриальной ДНК ведут к цитоплазматической мужской стерильности, вызывая нарушения созревания пыльцевых трубок.

В митохондриальном геноме найдено два типа псевдогенов: дегенерировавшие копии генов, не имеющие интактной копии в мтДНК и дегенерировавшие копии генов, имеющие полноценные аналоги в самом митохондриальном геноме.

Таким образом, митохондриальный геном растений представляет собой крайне изменчивую по структуре, но достаточно стабильную по числу находящихся в нем генов систему. В отличие от чрезвычайно компактного хлоропластного генома в митохондриальном геноме растений белок-кодирующие и РНК-гены составляют менее 20%. Значительное увеличение размера генома происходит за счет интронов, различных повторяющихся последовательностей, ядерных и пластидных ДНК, встроившихся в мтДНК. Функция более 50% митохондриального генома пока не ясна.

Литература

1. Акифьев и др. Диминуция хроматина // Генетика. 2002. № 5. С. 595-601.

2. Зеленин А.В., Бадаева Е.Д., Муравенко О.В. Введение в геномику растений // Молекулярная биология. 2001. Т. 35. С. 339-348. Ayala F.J., Coluzzi M. Chromosome speciation: human, Drosophila, and mosquitoes // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2005. V. 102. P. 6535-6542.

3. Муравенко О.В., Лемеш В.А., Саматадзе Т.Е. и др. Сравнение геномов трех близкородственных видов льна и их гибридов с использованием хромосомных и молекулярных маркеров // Генетика. 2003. Т. 39. С. 510-518.

4. Arabidopsis thaliana genome sequence // Nature. 2000. V. 408. P. 791-826.

5. Вadaeva E.D., Friebe B., Gill B.S. 1996. Genome differentiation in Aegilops. 1. Distribution of highly repetitive DNA sequences on chromosomes of diploid species // Genome. 1996. V. 39. P. 293-306.

6. Brown P., Botstein D. Exploring the new world of the genome with DNA microarrays // Nat. Genet. 1999. N 21. P. 33-37.

7. Сhen ZJ., Wang J., Lee H. et al. Genomic-wide transcriptone analysis and mechanisms of differential gene expression in Arabidopsis polyploids //Item. Polyploidy Conference. Linnean Society Royal Botanic Garden. Kew, 2003. P. 5.

8. Hedges S.B., Kumar S. Genomics. Vertebrate genomes compared // Science. 2002. V. 297. № 5585. P. 1283-1285.

9. Nowacki М., V. Vijayan, Y Zhou, K. Schotanus, T.G. Doak, L. F. Landweber. RNA-mediated epigenetic programming of a genome-rearrangement pathway // Nature. Advance online publication, November, 2007.

10. Pen E. Bonanza for Plant Genomics // Science. 1998. V. 282. P. 652-654.

11. Plant genomics // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. V. 95. P. 1962-2032.

12. . Rice Genome Sequence // Science. 2002. V. 296. P. 13, 32-39,41-46,53-56,79-100.

Размещено на Allbest.ru