Геном эукариот и прокариот

В ходе эволюции у эукариот сформировался геном, который существенно отличается от генома прокариот. Геном высших организмов в первую очередь характеризуется таким свойством как избыточность. Содержание ДНК у эукариот в расчете на 1 клетку в бреднем на 2-3 порядка выше, чем у прокариот, и для разных организмов оно колеблется в интервале от 1010 до 1013 Да. Хотя такой размер генома теоретически позволяет кодировать свыше 106 различных белков, оценки числа функционирующих генов у эукариот колеблются в интервале от 104 до 27105. Возможно существуют "молчащие" гены, необходимые клетке для реализации редко встречающихся программ. Однако это не является единственной причиной большого количества ДНК в клетках эукариот. Повышение количества ДНК у эукариот связано прежде всего с усложнением регуляторных процессов в клетках. Это усложнение выражается в том, что размеры единиц транскрипции у эукариот, как правило, на порядок превышают размеры зрелых молекул мРНК, а также в том, что значительную часть генома у эукариот составляют последовательности, служащие исключительно для целей регуляции. 
 
Однако общее количество ДНК в клетке нельзя рассматривать как простой показатель функциональной и структурной сложности организма (рис. 122). Например, у некоторых рыб количество ДНК на ядро в 10 раз больше, чем у человека. Содержание ДНК может сильно варьировать даже у отдельных организмов одного рода. Все это говорит о реальной избыточности ДНК в клетках высших организмов. 
 
Другая структурная особенность генома эукариот - это блочный характер организации. Блочность строения проявляется на разных уровнях. Это и длинные блоки с разным CG- содержанием, и многочисленные короткие участки, сильно обогащенные определенными (пуриновыми или пиримидиновыми) нуклеотидами, и гомополимерные последовательности. 
 
Блочность строения проявляется и в структуре индивидуальных генов, которые часто состоят из отделенных друг от друга зон (экзонов), соответствующих, по-видимому, отдельным доменам кодируемых ими белков, разделенных некодируемыми последовательностями (интронами). Наличие генов с интронами характерно для эукариот, тогда как в геноме прокариот интронов не обнаружено. 
 
Геному эукариот свойственна также способность к перестройкам. Ярким примером геномных перестроек являются процессы перемещения отдельных участков генов, происходящие при формировании генов иммуноглобулинов. Другим примером может служить массовое увеличение числа копий (амплификация) некоторых структурных генов. Примером амплификации могут служить многочисленные повторы генов рРНК в петлях ядрышковых организаторов. Однако геномные перестройки, по-видимому, все-таки носять ограниченный характер, вследствие чего общий план организации генома отдельных организмов сохраняется на протяжении многих поколений. 
 
Уникальные (неповторяющиеся) последовательности – наиболее сложный и, как правило, основной по массе компонент генома эукариот. Однако доля их у разных организмов может составлять от 15 до 98%. В целом процентное содержание уникальных последовательностей у низших эукариот заметно выше, чем у высших. 
 
Особенно мало уникальной ДНК у растений. Во фракции уникальной ДНК находится большинство структурных генов эукариот. Однако далеко не все уникальные после- довательности представляют собой участки, кодирующие белки. Доля таких участков, как правило, не превышает 1 - 2%. Большая часть транскрибирующихся уникальных последовательностей не кодирует мРНК цитоплазмы, а выполняет какие-то специальные функции в ядре. Более половины уникальной ДНК вообще не транскрибируется в клетках, хотя и сохраняется в эволюции. Возможно она служит чисто структурным целям, возможно является средством борьбы с мутациями. Назначение информационной избыточности уникальной ДНК, как и избыточности ДНК вообще, - проблема, которая еще ждет свого решения. 
 
В ДНК эукариот содержатся последовательности, повторяющиеся от нескольких десятков до миллиона раз на геном. Хорошо изученным компонентом часто повторяющихся последовательностей является сателлитная ДНК, которая обычно обнаруживается в виде отдельного (сателлитного) пика при центрифугировании молекул ДНК в градиентах плотности CsCl. Сателлитные ДНК состоят из коротких (2 - 20 пар нуклеотидов) повторяющихся последовательностей, образующих длинные блоки. Количество таких сателлитных ДНК в ДНК разных организмов варьирует от от 1 до 80%, а число отличающихся по плавучей плотности сателлитных ДНК в одном организме может достигать 10 - 12. Одной из интересных общих черт строения сателлитной ДНК является присутствие в каждой цепи лишь 2 - 3 из 4 возможных нуклеотидов. В хромосомах они локализуются преимущественно в центромерных районах, поэтому предполагаемые функции сателлитной ДНК связывают с ролью этих последова- тельностей в поддержании структурной целостности хромосом, в стабилизации центромер, с участием в узнавании гомологичных хромосом при мейозе, а также с участием в контроле за размерами ядра и клеточным ростом. Другой компонент часто повторяющихся последовательностей - это обращенные повторы (палиндромы). Значительная часть обращенных повторов транскрибируется в составе РНК и образуют структуры, называемые шпильки. Предполагается, что такие шпильки служат сигналами для ферментов, осуществляющих процессинг и сплайсинг РНК, ДНК-полимеразы и участвуют в терминации транскрипции для РНК-полимераз. 
 
Наряду с частыми повторами в ДНК высших организмов присутствуют последовательности, повторяющиеся с меньшей частотой (от 10 до 104 копий на гаплоидный геном) - умеренно повторяющиеся последовательности. Это полифункциональный класс последовательностей, в который входят транскрибируемые структурные гены и контролирующие (регуляторные) элементы генома. Кроме того, предполагают, что в геноме млекопитающих некоторые семейства умеренных повторов имеют вирусную природу. В геноме эукариот находят также мобильные генетические элементы, аналогичные прокариотическим IS- и Tn-элементам. Большая часть изученных к настоящему времени генов у эукариот не являются уникальными, а представлены или множеством сходнях копий, или ограниченным набором дуплицированных и дивергировавших в разной мере последовательностей, называемыми мультигенными семействами. Повторяемость генов в мультигенных семействах необходима или для усиления дозы генов (дозовая повторяемость), или для обеспечения синтеза различных вариантов родственных полипептидов (вариантная повторяемость). Дозовая повторяемость характерна для генов, кодирующих тРНК и рРНК, а также гистоновых генов. Вариабельная повторяемость свойственна таким генам, как глобиновые, актиновые, иммуноглобулиновые и многим другим. Наряду с нормально функционирующими генами в мультигенных семействах у эукариот встречаются псевдогены (j-гены), гомологичные функционирующим, но по разным причинам не способные функционировать. Играют ли они какую-либо специальную роль или просто являются "поломанными" генами, не известно, хотя есть косвенные указания на то, что их присутствие нужно для нормального функционирования соседних генов.