вдоль хромосомы по мере репликации (рис. 4.22). Этот способ репликации ДНК ведет к образованию промежуточной структуры, напоминающей греческую букву 8. Тета-тип репликации превращает родительскую кольцевую хромосому в две дочерние кольцевые хромосомы, в каждой из которых сохраняется одна из цепей родительской молекулы ДНК, а вторая цепь заново синтезируется.

Как мы увидим в дальнейшем, жизненный цикл некоторых организмов требует превращения кольцевой хромосомы в линейную. Такое

J?

4,

*OOC

\ 1

Рис. 4.22. А. Радиоавтограф целой хромосомы Е. coli, меченной Н3-тимидином. В большую часть кольцевой хромосомы специфическая импульсная метка включается слабо. Участки с высокой специфической активностью указаны стрелками. Они соответствуют месту окончания репликации молекулы ДНК (слева внизу) и началу нового

цикла репликации (сверху справа). {Rodriguez R.L., Dalbey M.S., Davern С.I. (1973). J. Mol. Biol., 74, 599.] Б. Начало синтеза родительской ДНК при репликации бактериофага лямбда по тета-типу. (Dr. David Dressier and Dr. John Wolsfson, Harvard University.) B. Схема двунаправленной репликации кольцевой молекулы ДНК.

Специфичная эндонуклеаза разрезает одну из цепей

Рис. 4.23. А. Электронная микрофотография ДНК бактериофага лямбда в период синтеза линейной дочерней молекулы при репликации по сигма-типу. \_Kiger J. A., Jr., Sinsheimer R. L. (1971). Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 68, 112.] Б. Схема репликации ДНК сигма-типа.

Рис. 4.24. А. Реплицирующаяся ДНК Drosophila melanogaster. Обратите внимание на множество «вздутий», соответствующих участкам репликации ДНК. Изображен фрагмент ДНК, состоящий из 119000 пар нуклео-тидов и включающий 23 вздутия (раздвоения). Масштабная черточка соответствует длине последовательности 5000 пар нуклеоти-дов. [Kriegstein H.J., Hogness D.S. (1974).

Ргос. Natl. Acad. Sci. USA 71, 135.] Б. Схема двунаправленной репликации линейной молекулы ДНК.

превращение происходит при другом типе репликации ДНК, известном под названием сигма-типа (от греческой буквы ст) или «катящегося кольца». Сигма-репликация начинается с разрыва фосфодиэфирной связи в одной из цепей родительской кольцевой молекулы, в результате чего по обе стороны разрыва образуются «голые» З'-ОН- и 5'-Р04-концы. Затем комплементарная кольцевая цепь служит матрицей для синтеза новой цепи, ковалентно прикрепленной к З'-ОН-концу разорванной родительской цепи. По мере того как новая цепь наращивается на З'-ОН-конце, 5'-Р04-конец той же цепи смещается, образуя «хвост» кольца. Затем начинается синтез цепи, комплементарной этому хвосту (рис. 4.23). При таком способе репликации промежуточная структура имеет форму буквы «сигма». По мере продолжения репликации кольцевая родительская молекула превращается в две дочерние молекулы, одна из которых кольцевая, а другая-линейная. Сигма-репликация является необходимым этапом жизненного цикла некоторых бактериофагов, в частно

сти лямбда и фХ174. Этот тип репликации имеет место при половой конъюгации бактерий и встречается в оогенезе некоторых эукариотических организмов.

Хромосомы некоторых вирусов и всех эукариотических организмов содержат линейные молекулы ДНК. Репликация линейных молекул начинается в определенных точках с образования репликационных вздутий. В небольших молекулах ДНК вирусов репликация может начинаться с одной точки. В больших молекулах ДНК, образующих хромосомы эукариот, иногда насчитываются сотни точек инициации репликации (рис. 4.24). После образования вздутия оно начинает увеличиваться по мере распространения процесса репликации ДНК в обоих направлениях от точки инициации. По ходу процесса соседние вздутия могут сливаться, а когда вздутие достигает конца молекулы, образуется характерная промежуточная Y-образная конфигурация. Когда репликация заканчивается, из одной линейной родительской молекулы образуются две линейные дочерние, каждая из которых, так же как и родительская, представляет собой двойную спираль.

Процесс репликации ДНК играет ключевую роль в передаче наследственной информации, записанной в последовательности пар оснований от родительской молекулы ДНК дочерним молекулам ДНК, от родительских соматических клеток-дочерним соматическим клеткам и, наконец, от родительского организма-потомкам.

Литература

Avery О.Т., MacLeod СМ., McCarty М. (1944). Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of Pneumococcal types, J. Exp. Med., 79, 137-158.

Cairns J. (1963). The bacterial chromosome and its manner of replication as seen by autoradiography, J. Mol. Biol., 6, 208-213.

Dickerson R. E., Drew H. R., Conner B. N., Wing R.M., Fratini A.V., Корка M. L. (1982). The anatomy of A-, B-, and Z-DNA, Science, 216, 475-485.

Hershey A.D., Chase M. (1952). Independent functions of viral protein and nucleic acidin growth of bacteriophage, J. Gen. Physiol., 36, 39-56.

Kavenoff R., Zimm B. (1973). Chromosome-sized DNA molecules from Drosophila, Chromosoma, 41, 1-27.

Meselson M., Stahl F. (1958). The replication of

DNA in Escherichia coli, Proc. Natl. Acad. Sci.

USA, 44, 671-682. Nordheim A., Pardue M. L., Lafer E. M.,

Mtiller A., StollarB.D., Rich A, (1981).

Antibodies to left-handed Z-DNA bind to interband regions of Drosophila polytene chromosomes, Nature, 294, 417-422.

Wang A.H.-J., Quigley G.J., Kolpak F.J., Crawford J. L., van Boom J. H., van der Marel G., Rich A. (1979). Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic resolution, Nature, 282, 680-686.

Watson J. D., Crick F.H.C. (1953). Molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acid, Nature, 171, 737-738.

Watson J.D., Crick F.H.C. (1953). Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid, Nature, 171, 964-967.

Wilkins M.H.F. et al. (1953). Molecular structure of deoxypentose nucleic acids, Nature, 171, 738-740.

Chromatin, Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology XLII, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, N.Y., 1978.

Chromosome Structure and Function, Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology XXXVIII, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, N.Y., 1973.

Ключевые слова и понятия

Ауксотроф Водородная связь Гистон

Двойная спираль

ДНК

Колония

Негативная колония (бляшка)

Нуклеозид

Нуклеоид

Нуклеосома

Нуклеотид

Основание

Полуконсервативная репликация

Правило Чаргаффа Прототроф Радиоавтография Репликация сигма-типа Репликация тета-типа РНК

Трансформация Фосфодиэфирная связь Эксперимент Мезельсона - Сталя Эксперимент Херши - Чейза В-форма ДНК Z-форма ДНК

Задачи

4.1. Суспензию бактерий последовательно разводят 1/100, 1/100 и 1/50, по 0,2 мл суспензии из последнего разведения высевают на поверхность трех чашек Петри с агаризованной средой. После инкубации на этих чашках появилось 105, 84 и 98 бактериальных колоний. Какова была примерная концентрация бактерий в исходной культуре?

Ту же исходную культуру, разведенную последовательно 1/100, JJJrW, 1/10, наносят по 0,2 мл на поверхность трех чашек Петри, засеянных фагом Т2. На чашках выросло 40, 25 и 30 колоний. Какова частота возникновения устойчивых к фагу Т2 бактерий в исходной культуре?

4.2. Каковы были бы результаты экспериментов Мезельсона и Сталя, если бы ДНК реплицировалась консервативно? А если дисперсно?

4.3. Некоторые ДНК-фаги, например фХ174, содержат одну кольцевую молекулу ДНК. Каков, по вашему мнению, механизм репликации их генома? Выделенная из фага ДНК способна заражать сферопласты Е. coli; однако разрыв даже одной фосфодиэфирной связи в ДНК дезоксирибонуклеазой (фермент, расщепляющий такие связи) лишает молекулу ДНК инфекционности. Молекулы ДНК того же фага, выделенные из инфицированных клеток, намного устойчивее к де-зоксирибонуклеазе. Почему?

4.4. Синтетический полимер dA/dT (d обозначает дезоксирибозу)-это двухце-почечная молекула, у которой одна цепь-poly-dA, а вторая -poly-dT; он характеризуется определенной температурой плавления (Тт). Это температура, при которой половина нуклеотидов существует в двухцепочечной форме, а половина-в одноцепочечной. Температура плавления poly-dA/dT ниже, чем poly-dG/dC. Как вы думаете, почему? Воспользовавшись данными, приведенными в табл. 4.1, оцените относительные значения Тт для ДНК человека, Е. coli и ^ашпа lutea.

^ 4.5; В районе исследовательской станции Южного полюса упал метеорит типа угольного хондрита. С его поверхности выделены вирус, названный 21, и его хозяин. Продумайте постановку эксперимента, позволяющего определить, что является наследственным веществом Z1,

Рис. 4.25. Результаты эксперимента Мезел-сона-Сталя

роста на среде с 1 4 N

белок или ДНК. Продумайте возможные результаты эксперимента в обоих случаях.

4.6. Установлено, что наследственным веществом вируса Z1 и его хозяина является ДНК. Для определения способа репликации ДНК клеток хозяина был поставлен эксперимент типа Мезел-сона-Сталя. Результаты эксперимента представлены на рис. 4.25. Каков способ репликации?

Геном эукариот

Ген-это функциональная единица, часть молекулы ДНК. Полное описание структуры и организации генов какого-либо организма подразумевает описание последовательности нуклеотидов в ДНК этого организма. Однако описание полной последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК даже мельчайших вирусов составляет колоссальную проблему, практически неразрешимую для молекул ДНК высших организмов. Действительно, существующее у всех видов организмов генетическое разнообразие свидетельствует о том, что ни одна последовательность нуклеотидов в геноме не является уникальной и инвариантной для всех особей вида. Геном Е. coli состоит примерно из 3,2-106 нукле-отидных пар (н. п.). Ясно, что даже для такого небольшого генома, как Е. coli, возможно огромное количество различных нуклеотидных последовательностей. Для каждой нуклеотидной пары существуют четыре возможности (AT, ТА, GC, CG), и, следовательно, число возможных нуклеотидных последовательностей в генотипе Е. coli составляет 43-2 106 = _ |Q