Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 3 (страница 66)

Толщина одной двойной спирали ДНК равна 2 нм, тогда как самые тонкие хромосомы, видимые в световой микроскоп, имеют толщину от 100 до 200 нм. Это может означать, что одна хромосома содержит либо много двойных спиралей ДНК, либо одну двойную спираль, еще дополнительно закрученную крупными витками. На электронных микрофотографиях хромосом типа ламповых щеток (названных так за их сходство со щетками, которыми в прежние времена чистили стекла керосиновых ламп) из ооцитов амфибий видно, что каждая хроматида состоит из плотно скрученной осевой нити с отходящими от нее боковыми петлями, образованными одной двойной спиралью ДНК (рис. 22.11). Эти петли, возможно, представляют собой ДНК, освобожденную от белков для осуществления транскрипции (см. разд. 22.6.6). Недавние исследования структуры хромосом позволяют думать, что спираль ДНК соединяется с группами из восьми гистоновых молекул, образующих нуклеосомы — частицы, имеющие вид нанизанных на нитку бусинок. Эти нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК плотно упакованы в виде спирали толщиной 36 нм, на каждый виток которой приходится примерно 6 нуклеосом и которая по своим размерам и другим признакам соответствует хромосоме. Предполагаемая структура такой хромосомы показана на рис. 22.12.

Рис. 22.11. А. Хромосомы типа ламповых щеток из ооцита амфибии; видны центромера и три хиазмы. Б и В. Хромосомы растянуты, чтобы показать центральную нить ДНК и петли ДНК, в которых происходит синтез мРНК. Как полагают, уплотненные участки представляют собой хромомеры, а каждая хромомера и связанная с ней петля соответствуют определенному генному локусу. (Н. G. Callan, Int. Rev. Cytology, 1963, 151.)

Рис. 22.12. Предполагаемая структура нуклеосом и их соотношение с хромосомой и молекулой ДНК (в метафазной хромосоме). (E.J. Du Praw, School of Medicine, Univ. of Maryland.)

В хромосомах спермиев у некоторых видов, например у лосося и сельди, белками, связанными с ДНК, служат не гистоны, а протамины.

22.4.1. Данные, указывающие на роль ДНК в наследственности

Еще в начале XX века Саттон и Бовери высказали верную мысль, что именно хромосомы передают генетическую информацию от одного поколения другому (см. разд. 23.2), однако потребовалось еще много лет, для того чтобы выяснить, что служит генетическим материалом-ДНК или белок хромосом. В ряде экспериментов Альфред Мирский показал, что у особей данного вида все соматические клетки содержат одинаковое количество ДНК, которое вдвое больше количества ДНК в гаметах. Но то же самое относится и к содержанию в хромосомах белка, так что эти данные мало способствовали выяснению природы генетического материала.

Ученые склонны были думать, что белок — это единственное вещество, молекулы которого обладают достаточным структурным разнообразием, чтобы служить генетическим материалом.

В 1928 г. английский микробиолог Фредерик Гриффит сделал наблюдение, которое впоследствии оказалось важным для решения этой проблемы. Во времена, когда еще не было антибиотиков, Гриффит пытался приготовить вакцину против пневмококка — возбудителя одной из форм пневмонии. Были известны две формы этой бактерии, из которых одна обладает студенистой капсулой и вирулентна (вызывает заболевание), а другая не имеет капсулы и невирулентна. Способность этих бактерий вызывать пневмонию, по-видимому, была связана с наличием капсулы. Граффит надеялся, что если ввести больному бескапсульную или убитую нагреванием инкапсулированную форму, то его организм начнет вырабатывать антитела, которые смогут предохранить от заболевания пневмонией. В ряде экспериментов Гриффит вводил мышам обе формы бактерий и получил результаты, представленные в табл. 22.3. При вскрытии погибших мышей в них были обнаружены живые инкапсулированные формы. На основании этих результатов Гриффит сделал вывод, что от убитых нагреванием инкапсулированных форм к живым бескапсульным формам, очевидно, передается какой-то фактор, заставляющий их вырабатывать капсулы и становиться вирулентными. Однако природа этого трансформирующего фактора оставалась неизвестной вплоть до 1944 г., когда его удалось выделить и идентифицировать. На протяжении 10 лет Эвери, Мак-Карти и Мак-Леод занимались выделением и очисткой молекул, входящих в состав убитых нагреванием инкапсулированных клеток пневмококка, и изучали их способность трансформировать бескапсульные клетки. Удаление полисахаридной капсулы и белковой фракции из клеточных экстрактов не оказывало влияния на эту способность, но добавление фермента дезоксирибонуклеазы (ДНКазы), гидролизующей ДНК, препятствовало трансформации. Способность высокоочищенных экстрактов ДНК из инкапсулированных клеток вызывать трансформацию показала, что фактором Гриффита была ДНК. Несмотря на эти результаты, многие ученые все еще отказывались признать, что генетическим материалом служит ДНК, а не белок. В начале пятидесятых годов множество неоспоримых данных, полученных при изучении вирусов, наконец, продемонстрировали универсальность ДНК как носителя генетической информации.

Таблица 22.3. Результаты экспериментов Гриффита

В сороковые годы вирусы стали одним из главных объектов экспериментальных генетических исследований; проведенные на них эксперименты считаются теперь такими же классическими, как эксперименты на горохе, плодовой мушке и, как будет описано позже, хлебной плесени Neurospora. Вирусные частицы имеют очень простое строение; они состоят из оболочки, образованной в основном из белка, и заключенной внутри нее молекулы нуклеиновой кислоты-ДНК или РНК (см. разд. 2.5.2). Это делает их идеальным материалом для изучения вопроса о том, что служит генетическим материалом — белок или нуклеиновая кислота. В 1952 г. Херши и Чейс приступили к ряду экспериментов на вирусах особого типа, заражающих бактериальные клетки и называемых бактериофагами. Бактериофаг Т₂ проникает в клетку кишечной палочки (Escherichia coli) и заставляет ее за очень короткий срок образовать множество фаговых частиц. Херши и Чейс выращивали частицы фага Т₂ в клетках Е. coli, которые росли на среде с радиоактивными изотопами серы (³⁵S) или фосфора (³²Р). Фаговые частицы, образующиеся в клетках Е. coli на среде с радиоактивной серой, включали 35S в свои белковые оболочки, а частицы, образующиеся в Е. coli на среде с изотопом фосфора, содержали ДНК, меченную ³²Р. Такое избирательное распределение изотопов связано с тем, что белки не содержат фосфора, а нуклеиновые кислоты не содержат серы. Мечеными частицами фага Т₂ заражали немеченые клетки Е. coli, и спустя несколько минут эти клетки встряхивали в смесителе, чтобы отделить фаговые частицы от клеточных стенок. Затем бактерий инкубировали и проверяли на радиоактивность. Результаты представлены на рис. 22.13.

Рис. 22.13. Схема экспериментов Херши и Чейза на фаге Т2 и Е. coli

Из полученных данных Херши и Чейз сделали вывод, что в бактериальную клетку проникает фаговая ДНК, которая и дает начало многочисленному фаговому потомству. Эти эксперименты показали, что наследственным материалом служит ДНК, которая определяет в новообразованных фаговых частицах структуру не только фаговой ДНК, но и фаговых белков. Результаты электронно-микроскопических исследований и более полные данные о жизненном цикле вирусов подтверждают, что в бактериальную клетку проникает только ДНК фага. (Жизненный цикл вирусных и фаговых частиц описан в разд. 2.5.3 и 2.5.4.)

22.4.2. Репликация ДНК

Модель структуры ДНК в виде двойной спирали, предложенная Уотсоном и Криком, описана в разд. 5.6.3. Одна из самых привлекательных особенностей этой модели состоит в том, что она одновременно подсказывает, каким способом могла бы происходить репликация ДНК. Уотсон и Крик высказали предположение, что две цепи, образующие спираль, могут раскручиваться и разделяться, после чего каждая из них служит матрицей, к которой путем спаривания оснований пристраивается комплементарная цепочка нуклеотидов. Таким образом, из каждой исходной молекулы ДНК получаются две копии с идентичной структурой.

В 1956 г. Корнбергу удалось продемонстрировать in vitro синтез молекулы ДНК, используя в качестве матрицы одиночную цепь ДНК. (Этот метод был затем использован другими учеными для выяснения природы генетического кода; см. разд. 22.5.) Корнберг выделил из Е. coli и очистил фермент, который способен связывать друг с другом свободные нуклеотиды в присутствии АТФ как источника энергии с образованием комплементарной цепи ДНК. Он назвал этот фермент ДНК-полимеразой. В своих последующих экспериментах Корнберг использовал вместо нуклеотидов и АТФ дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦТФ), из которых тоже строилась комплементарная цепь ДНК. Дальнейшие данные подтвердили, что именно в этой форме нуклеотиды легко присоединяются к ДНК-матрице и друг к другу. Когда нуклеозидтрифосфаты связываются между собой, две концевые фосфатные группы отщепляются. Оставшаяся фосфатная группа нуклеотида и освобождающаяся энергия используются для образования эфирной связи с углеродными атомами 5 и 3 остатков сахара соседних нуклеотидов (рис. 22.14).

Позднее, в 1967 г., Корнберг показал, что ДНК — полимераза присоединяет нуклеотиды только в направлении 5 → 3. Поскольку две цепи ДНК антипараллельны, т. е. направление 5 → 3 у них противоположно, ДНК-полимераза может непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула ДНК синтезируется отдельными короткими участками под действием ДНК-полимеразы, движущейся в противоположном направлении[9]. Эти короткие участки новосинтезируемой полинуклеотидной цепи связываются воедино другим ферментом — ДНК-лигазой (рис. 22.15). Молекулы ДНК, синтезируемые in vitro в присутствии ДНК-лигазы, биологически активны и могут использоваться в системе синтеза белка. Молекулы ДНК, полученные в 1956 г. Корнбергом, хотя они имели в целом правильную структуру, были лишены биологической активности, так как участки одной из синтезируемых цепей не могли соединиться друг с другом.