С учетом эволюционного уровня организмов существует несколько форм организации ядерных генетических детерминантов.
Вирусный геном. Наиболее простой формой ядерной организации генома вообще является вирусный геном, который, как уже отмечено, очень условно часто называют вирусной хромосомой.
Геном самых малых РНК-овых вирусов представлен последовательностями, состоящими из нескольких тысяч нуклеотидов, что соответствует нескольким генам. Например, полная нуклеотидная последовательность РНК-содержащего бактериального вируса MS2 составляет 3569 нуклеотидов (3 гена). Наименьшие по размерам ДНК-содержащие вирусы состоят из большого количества пар нуклеотидов. Например, полная нуклеотидная последовательность фага ФХ174 составляет 5375 пар нуклеотидов (8 генов). Геном более крупных ДНК-овых вирусов, например фага Т2 и оспенного вируса, состоит из около 150 генов. Геном цитомегаловируса составляет 229 000 азотистых оснований.
Геном прокариот. У микоплазм, являющихся примером, возможно, самых мелких прокариот, геном составляет всего лишь несколько сот тысяч пар оснований. Например, у Mycoplasma genitalium геном составляет 580 000 пар оснований, или 470 кодирующих генетических районов. Однако лишь один генетический район участвует в кодировании белков, тогда как в контроле адгезии (прилипания) к соматическим клеткам поражаемого организма участвует 5\% генома. Возможно, это связано с тем, что М. genitalium существует в ассоциации с соматическими клетками человека.
ДНК в клетках Е. coli представлена одиночной двухцепочечной кольцевой молекулой, м. м. около 2-109, что составляет примерно 30-106 пар азотистых оснований. Она выполняет роль функционально активной хромосомы, получившей название нуклеотида. Последний является гаплоидной структурой. Поскольку расстояние между парами азотистых оснований в ДНК Е. coli около 0,34 нм, то контурная длина молекулы ДНК бактерий этого вида составляет около 0,1 см, что превышает длину содержащей ее клетки примерно в 600 раз, а диаметр — 2 нм (диаметр одиночной клетки Е. coli равен около 0,5-0,8 мкм). Поэтому считают, что хромосома (ДНК) внутри бактерий этого вида существует в виде «свернутого генома», занимающего 1/5 объема клетки, т. е. в свернутой (скрученной) форме в виде около 50 петель, каждая из которых находится в сверхскрученной форме. Поскольку «свернутый геном» можно дестабилизировать обработкой РНК-азой, то считают, что в его состав входит также и РНК. Кроме того, в его составе обнаружены низкомолекулярные белки, роль которых еще не выяснена.
Хромосома Е. coli содержит около 3000-4000 генов, которые организованы на основе принципа колинеарности, означающего,
что существует линейное соответствие первичной структуры гена структуре полипептидной цепи, т. е. непрерывность последовательности нуклеотидов сопровождается непрерывностью последователь- ности аминокислот в полипептидах.
Геном Haemophilus influenzae составляет 1,8-106 пар оснований, которые организованы в 1743 кодирующих района.
Молекулы ДНК прокариотов содержат последовательности азотистых оснований, которые все являются кодирующими. В геноме прокариотов каждый ген размером в несколько тысяч пар оснований повторяется лишь один раз. Исключение составляют гены для рибосомной РНК. Если прокариотическая хромосома разрывается на несколько сегментов, то каждый из них будет содержать различные последовательности.
Геном эукариотов. Геном эукариотов по своим размерам больше генома Е. coli лишь в 2-10 раз, однако ДНК в нем значительно больше. Установлено, что помимо «работающей» ДНК, т. е. помимо эксонов и интронов, в хромосомах клеток эукариот, в частности в гетерохроматиновых районах хромосом, содержится много ДНК, которая является излишней, так как не транскрибируется. Такую ДНК называют сателлитной, или «эгоистической» (от англ. selfish — эгоистичный). Количество некодирующей ДНК у разных организмов различное. Например, у дрожжей оно составляет 30\% от общего количества ДНК, у насекомых — 67\%, цветковых растений (арабидопсис) — 69\%, нематод — 75\%, у человека — 73-91\%.
Примечательной особенностью некодирующей ДНК является то, что определенные последовательности оснований в ней неоднократно повторяются. Такие последовательности называют повторяющимися или повторами. Напротив, последовательности ДНК, которые не повторяются, т. е. существуют в одиночных копиях, называют уникальными. Их фракция составляет обычно 40-80\%.
Длина повторов составляет обычно от нескольких до десятков или сот пар оснований, причем у эукариотов повторы, как правило, локализованы в гетерохроматиновых районах хромосом и их содержание может быть как простым, например 5′-АТАТАТ-3′ в одной цепи и 3′-ТАТАТА-5′ в другой, так и более сложным, например 5 -ГАААААТГА-3′ в одной цепи и 3′-ЦГТТТТАЦТ-5′ в другой.
Среди повторяющихся некодирующих последовательностей ДНК различают микросателлитные, мини-сателлитные и сателлитные последовательности.
Микросателлитные (простые) повторяющиеся последовательности представляют собой короткие повторы (2-5 пар оснований). Они найдены в геномах насекомых, позвоночных и растений. В геноме человека такие последовательности встречаются в эухроматиновых районах в количестве примерно 100 копий на геном.
Мини-сателлитные повторяющиеся последовательности представлены повторами, состоящими примерно из 15 пар азотистых оснований. Эти повторы обнаружены в геномах многих позвоночных и растений, включая микроскопические грибы.
Сателлитные повторяющиеся последовательности состоят из 5-10 пар азотистых оснований, а иногда даже из 100 пар. Эти последовательности обнаружены в гетерохроматиновых районах хромосом человека ближе к центромерам или в Y-хромосоме.
Биологическое значение «эгоистической» ДНК остается неясным, так как точно не выявлены необходимость в этих сегментах ДНК и причины, поддерживающие их в составе кодирующей ДНК.
Биологическое значение повторов в «эгоистической» ДНК тоже не выяснено. Однако предполагают, что они вовлечены в регуляцию экспрессии и рекомбинацию генов, а также в «защиту» некоторых структурных генов, в частности генов, детерминирующих синтез гистонов, рРНК или рибосомных белков.
Для ДНК эукариотических клеток характерно и наличие палиндромов, т. е. обращенных повторов. Они встречаются в огромном количестве копий (возможно, в тысячах копий), причем их длина различна. Функции длинных палиндромов неизвестны. Что касается коротких палиндромов, то они служат сайтами узнавания ферментами (рестриктазами).
Повторяющиеся последовательности реплицируются в геномах благодаря совместной репликации с хромосомами. Реплицируются и хромосомы, и повторяющиеся последовательности.
Большинство структурных генов представлено однокопийными последовательностями ДНК, т. е. существуют в одной копии. Некоторые гены присутствуют в 1-3 копиях, но известны гены, которые представлены множественными копиями.
Поскольку у эукариот ДНК содержится в каждой хромосоме, а каждая хромосома представлена в двух (диплоидных) или более (полиплоидных) копиях, то количество ДНК в хромосомах зависит от их плоидности. Например, гаплоидный набор хромосом половых клеток человека содержит ДНК длиной 1000 мм, причем метр
этой ДНК разделяется между 23 хромосомами, для которых характерны разные размеры и формы. Следовательно, в каждой хро- мосоме содержится ДНК длиной от 15 до 85 мм ДНК. Напротив, диплоидный набор хромосом содержит ДНК длиной около 2000 мм. Исходя из того, что организм человека состоит из около 1015 клеток, можно заключить, что протяженность всей ДНК человека составляет 2-1010 км (расстояние от Земли до Солнца равно 1,44-108 км).
Гетерогенность длины нуклеосомной ДНК определяется вариабельностью в длине ДНК, сцепливающей одну нуклеосому с другой. Какова роль негистоновых белков, обычно обнаруживаемых в хроматине, — это вопрос, который подлежит выяснению.
В случае прокариотов между генами последовательности азотистых оснований ДНК и полипептидной цепью существует колинеарность. Однако у эукариотов гены вдоль хромосом располагаются не непре- рывно, поскольку они разделены другими последовательностями ДНК. Поэтому колинеарности в случае эукариотов не существует. Кроме того, в геноме эукариотов различают два типа последовательностей — транскрибируемые и транслируемые последовательности, которые определяют первичную структуру белков и называются эксонами, и транскрибируемые, но не транслируемые («молчащие») последовательности, называемые нитронами. Следовательно, гены содержат как эксоны, так и интроны (см. гл. VII). Можно сказать, что для генов эукариотов характерна мозаичность, которая имеет место практически на протяжении всего генома.