в Оказак» лигазой. Г. Две дочерние молекулы ДНК — результат полукоисервативной репликации.

Репликация ДНК происходит по частям (рис. 6.2). Реплици-роваиные частичные последовательности из 1000—2000 нуклеотидов называют фрагментами Оказаки. На обеих старых цепях новая полинуклеотидная цепь синтезируется в направлении 5'—>-3' (рис. 6.1,В). Начинаясь от точки старта, репликация осуществляется последовательно на отдельных участках; при этом у эукариот и многих бактерий она идет вдоль двойной спирали ДНК не только в одном направлении, но и в противоположном.

ДНК-полимеразы могут присоединять нуклеотиды только к свободному З'-ОН-концу (2.3.3) нуклеотида, уже связанного со старой цепью ДНК. Только РНК-полимеразы в состоянии связать первый нуклеотид с ДНК и начать новую полинуклеотид-ную цепь. Поэтому для того, чтобы мог синтезироваться фрагмент Оказаки, сначала должен быть пристроен короткий отрезок РНК (как при транюкрипции). Эта последовательность РНК из 1—10, реже около 50 нуклеотидов называется затравкой (или праймером) и синтезируется РНК-полимеразой, или при-мазой. От З'-конца затравки с помощью ДНК-полимеразы III начинается синтез ДНК-фрагмента Оказаки, продолжающийся до конца данного фрагмента. Следующий фрагмент Оказаки опять начинается с РНК-затравки. ДНК-полимераза 1 удаляет

Рис. 6.2. Репликация ДНК. Ход событий у отдельного стартового пункта.

затравки, а пропуски заполняются путем синтеза цепи ДНК (как при репарации с удалением участка, 10.1.3.5), присоединяемой к предыдущему фрагменту Оказаки. Затем фермент лигаза связывает между собой синтезированные отрезки ДНК.

Для репликации двойная спираль ДНК раскручивается ферментами. Репликация на старой цепи, идущей от точки старта в направлении 3':—»-5' (правая цепь на рис. 6.1), может идти непрерывно вдоль двойной спирали, раскрывающейся подобно застежке-молнии. Репликация на другой цепи происходит отдельными фрагментами, так как на этой цепи новая цепь должна синтезироваться в противоположном направлении (тоже соответствующем направлению 3'-—»-5' старой цепи).

Спаривание оснований при участии ДНК-полимеразы происходит почти безошибочно. Перед связыванием нового нуклеотида дополнительно проверяется, правильным ли было предыдущее спаривание. Если оно было ошибочным, неподходящий иуклеотид удаляется благодаря 3'—»-5'-эидоиуклеазной активности полнмеразы.

При репликации бактериальных ДНК и других кольцевых ДНК-структур в конечном итоге получаются две идентичные кольцевые молекулы ДНК. У эукариот различные репликацион-ные участки хромосомы (см. выше) в конце концов объединяются (рис. 6.3), так что после завершения фазы S (6.3.1.1) в каждой хромосоме находятся две молекулы двухцепочечной ДНК, которые становятся двумя идентичными хроматидами (3.5.2.2).

Структура, способная к репликации (например, хромосома, плазмида, вирусный геном), называется репликоном. Только

206 Глада в

Репликация и сегрегация генетического материала 207

структуры со свойствами репликона могут сохраняться в ряду поколений, т. е. наследоваться. ДНК способна к репликации благодаря наличию специфического участка, который может служить стартовым пунктом для репликации.

Наименьшие встречающиеся в природе репликоны — это мелкие плазмиды. Из них были экспериментально получены репликоны наименьшей возможной величины. Из плазмиды ColEl была сконструирована плазмнда рА02, содержащая лишь четвертую часть ДНК плазмиды ColEl. Для инициации процесса репликации необходимы только 436 нуклеотидов. Была выяснена их последовательность. Кроме этой начальной последовательности нужен еще участок, кодирующий структуру белка, который распознаёт эту последовательность. (Обе последовательности могут перекрываться.)

У эукариот репликация ДНК происходит в интерфазе (7.3.1,1).

У бактерий репликация ДНК начинается в условиях, благоприятных для роста. Может произойти несколько циклов репликации одни за другим. При этом те участки генома, с которых начинается репликация, могут оказаться повторенными в клетке многократно.

У фагов Т4 примерно за 10 с при 14 °С связывается 1000 нуклеотидов.

6.2. КЛЕТОЧНОЕ ДЕЛЕНИЕ У БАКТЕРИИ

После того как из генома в результате идентичной репликации образуются две двухцепочечные молекулы ДНК (плазмиды, если они есть, тоже удваиваются), эти дочерние молекулы ДНК располагаются так, чтобы при клеточном делении они могли разойтись в две дочерние клетки. Последние будут, таким образом, содержать полный геном. Плазмиды тоже распределяются, так, что каждая клетка получает по меньшей мере одну из них.

«.3. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК И ЯДЕР У ЭУКАРИОТ «.3.1. ДЕЛЕНИЕ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК

6.3.1.1. Интерфазой называют период между двумя делениями ядра. Ее подразделяют на фазы Gi, S и G2. S —это фаза синтеза ДНК, фазы G (от а'нгл. gap — промежуток) — это фазы до (Gi) и после (G2) синтеза ДНК. Только в Gi интерфазная клетка содержит характерное для данного вида количество ДНК; в G2 это количество уже удвоено (рис. 6.4).

6.3.1.2. Митоз (непрямое деление ядра, кариокинез). В митозе происходит упорядоченное распределение ДНК между дочерними ядрами (рис. 6.4). В процессе митоза из одного ядра с определенным числом хромосом образуются два дочерних ядра с тем же числом хромосом каждое. После того как в фазе S ДНК реплицируется, каждая хромосома содержит две идентичные молекулы ДНК, которые вместе с белками становятся хроматидами — двумя половинками одной продольно расщепленной хромосомы (3.5.2.2). Митоз приводит к тому, что ядро каждой из дочерних клеток содержит по одной такой хро-матиде (половинке каждой удвоенной хромосомы).

Чтобы это распределение было возможным, хромосомы в. профазе сильно укорачиваются (3.5.2; 3.5.2.6). К концу профазы ядерная оболочка растворяется. Образуется аппарат веретена с двумя полюсами (3.10.4; см. рис. 3.24,В). В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости веретена. В каждой хромосоме видны две образовавшиеся нити — хрома-тиды, которые скреплены между собой центромерой. В анафазе хроматиды разъединяются и расходятся, начиная с области центромеры, к полюсам. В ходе анафазы и телофазы эти новые хромосомы опять удлиняются. В телофазе вокруг находящихся на каждом полюсе хромосом образуется ядерная оболочка (3.5.4).

208 Глава 6

Репликация и сегрегация генетического материала 209

Если имеется центриоль, то она делится в начале митоза (3.10.2).

6.3.1.3. Цитокинез (деление клетки). Животные клетки делятся путем образования перетяжки таким образом, что в каждой половинке оказывается по одному ядру. У большинства высших растений в экваториальной плоскости, «ачиная с середины клетки, образуется прнмордиальная стенка, которая затем расширяется по направлению к периферии (рис 3.20, Д). У некоторых растений образование клеточной стенки идет в противоположном направлении. Элементы цитоплазмы распределяются случайным образом.

6.3.2. МЕИОЗ (РЕДУКЦИОННОЕ ДЕЛЕНИЕ)

При мейозе диплоидное число хромосом уменьшается до гаплоидного (рис. 6.5). Расхождение гомологичных хромосом (3.5.2.7) происходит так, что каждая дочерняя клетка получает по одной хромосоме из каждой пары.

Чтобы могло произойти такое распределение, гомологичные хромосомы в профазе I соединяются попарно и в метафазе I располагаются в экваториальной плоскости. В анафазе I гомологичные хромосомы разделяются и расходятся к противоположным полюсам. В результате диплоидный набор хромосом уменьшается до гаплоидного. Если исходная клетка содержит, например, 6 хромосом (2га), то после редукционного деления клетки получаются две клетки с 3 хромосомами (п) каждая.

Сразу же после первого деления мейоза (редукционного) совершается еще второе деление — обычный митоз.

Перед мейозом I в фазе S, как и при митозе, происходит репликация ДНК. В профазе I в спаренных гомологичных хромосомах уже образовалось по две хроматиды, соединенных в области центроиеры. На этой четыреххроматидной стадии путем кроссинговера (перекреста) может происходить обмен участками хроматид (рис. 6.5,В). При этом в каждой из двух гомологичных хромосом в гомологичной области разрывается одна хроматида и образовавшиеся фрагменты воссоединяются крест-накрест —возникает хиазма. Эти места перекреста смещаются к концам хромосом (терминализация), и хромосомы не разделяются в этих участках до конца метафазы I. Кроссинговер делает возможным обмен участками хроматид и тем самым— внутрихромосомную рекомбинацию (10.2.2).

Таким образом, в мейозе обычно можно выделить следующие стадии.

Мейоз 1. Профаза I включает лептотену (начало укорочения хромосом), виготену (спариваие, или конъюгация, гомологичных хромосом), пахитену (укорочение спаренных хромосом и кроссинговер; структура, образуемая двумя спаренными хромосомами, называется сннаптонемальным комплексом), ди-плотену и диакинез (дальнейшее укорочение хромосом, частичное разделение пар, начало термивализации хназм); затем следуют: метафаза 1 (растворение ядерной оболочки, расположение спаренных хромосом в экваториальной плоскости); анафаза I (разделение гомологичных хромосом, начало их удлинения в расхождение к полюсам); телофаза 1 (хромосомы находятся на полюсах).

Мейоз II включает профазу II, метафазу II, аиафазу II и телофазу II. У некоторых организмов мейоз I отделен от мейоза II стадией ннтеркииеза.

К концу мейоза II имеются четыре гаплоидных ядра; в результате клеточного деления образуются четыре клетки, дальнейшая судьба которых может быть различной (8.2.2.2; 8.3.1.2).

У некоторых одноклеточных организмов мейоз происходит в зиготе — продукте слияния мужской и женской половых клеток, так что все клетки, кроме диплоидной зиготы, гаплоидны. У диплоидных организмов редукционное деление, обусловливающее смену ядерных фаз (8.2), осуществляется в различное время перед образованием половых клеток (8.3).

Литература

Geisster Е. (Hrsg.) Desoxyribonucleinsaure, Scblfissel des Lebens, 2. Aufl., Akademie-Verlag, Berlin, 1972. Gunther E. GrundriS der Genetik, 3. Aufl., Fischer, Jena, 1978. Nagl W., Replication of the Eukaryotic Chromosome, Fortschr. Bot, 41, 161,

197