Репликация ДНК

Перед делением клетки ее ДНК удваивается, или реплицируется, так что каждая новая клетка получает точно такую же генетическую информацию, какая имелась в исходной клетке. Уотсон и Крик указали, что информация, необходимая для репликации молекулы ДНК, заключена в самой ее структуре.

Поскольку основания в двух цепях комплементарны, т. е. в любой паре взаимно дополняют друг друга, каждая цепь автоматически поставляет информацию, требующуюся для того, чтобы образовался ее партнер. (Так, если в одной цепи стоит А—А—Т—Г—Ц—Ц, то у ее партнера последовательность будет Т—Т—А—Ц—Г—Г.) Предложенная Уотсоном и Криком модель структуры ДНК породила подлинную лавину экспериментов, предпринятых с целью выяснить, как именно происходит репликация ДНК.
Первые убедительные данные на этот счет представили в 1958 г. Метью Меселсон и Франклин Сталь (Mattew Meselson, Franklin Stahl). Мы здесь рассмотрим их работу довольно подробно, поскольку ее с полным правом можно считать классическим образцом научного эксперимента. Меселсон и Сталь сформулировали три альтернативные гипотезы (рис. 14.10), каждая из которых позволяла объяснить имевшиеся в то время экспериментальные данные по репликации ДНК:

Консервативная репликация. Двухцепочечная молекула ДНК служит матрицей для образования совершенно новой двухцепочечной молекулы. Одна из новых клеток получает исходную молекулу ДНК, а другая-вновь синтезированную. Полу консервативная репликация. Две цепи исходной молекулы ДНК расходятся (подобно двум половинкам застежки-молнии), потому что разрываются слабые водородные связи между азотистыми основаниями. Затем каждая цепь служит матрицей для образования новой цепи, и водородные связи, возникающие между основаниями, соединяют старую и новую цепь, так что получается целая молекула. В результате каждая новая клетка получает в наследство гибридную молекулу ДНК, состоящую из одной новой и одной старой цепи. Дисперсивная репликация. ДНК распадается на короткие фрагменты, используемые в качестве матриц для построения фрагментов двух новых двойных спиралей, которые затем каким-то образом соединяются между собой.
С помощью ряда экспериментов, удивительно изящных по своей простоте, Меселсон и Сталь показали, что первую и третью из этих гипотез можно
опровергнуть, тогда как в пользу полуконсервативной репликации имеются веские доводы. (Отметим попутно, что ни одна гипотеза не может быть неопровержимо доказана, поскольку никогда не может быть уверенности в том, что учтены все относящиеся к ней факторы; зато гипотезу можно опровергнуть, если окажется, что какие-то наблюдения не согласуются с вытекающими из нее предсказаниями.)
Чтобы получить возможность различать «старую» и «новую» ДНК, Ме- селсон и Сталь воспользовались двумя изотопами азота: l4N, т.е. обычной формой азота, и 15N-более тяжелым его изотопом, атом которого содержит один дополнительный нейтрон. Сначала Меселсон и Сталь выращивали бактерии в питательной среде, содержавшей 15N. За время выращивания сменялось несколько генераций бактерий, так что в конечном счете ДНК практически всех клеток содержала 15N (показано черным в верхнем ряду на рис. 14.10). Затем бактерии переносили в питательную среду с 14N (показано голубым в нижних рядах). Спустя некоторое время, в течение которого ДНК реплицировалась и клетки делились, исследователи отбирали пробы клеток уже новой генерации и выясняли распределение в них l5N и ,4N.

На рис. 14.10 в третьем ряду показано, каким должен быть состав ДНК этой новой генерации, согласно предсказаниям каждой из трех гипотез. Если верна гипотеза консервативной репликации, то ДНК из новой генерации клеток должна состоять из двух фракций, одна из которых будет содержать только 15N, а другая только ,4N. Согласно двум другим гипотезам, вся ДНК должна быть представлена одной фракцией, в молекулах которой будут присутствовать как 15N, так и 14N. Меселсон и Сталь обнаружили, что ДНК первой новой генерации клеток невозможно разделить на две фракции разного веса. Таким образом, первая гипотеза была отвергнута как несовместимая с экспериментальными данными.
Для проверки двух оставшихся гипотез Меселсон и Сталь выделили ДНК из второй новой генерации бактериальных клеток. На этот раз им удалось разделить ДНК на две фракции: в одной находились молекулы, содержавшие как 15N, так и 14N, а в другой - молекулы, содержавшие только l4N. В четвертом ряду на рис. 14.10 показано, что гипотеза дисперсивной репликации предсказывает в этом случае существование только одной фракции ДНК, содержащей и 15N, и ,4N. Полученный результат оказался, таким образом, несовместимым с гипотезой дисперсивной репликации. Зато с гипотезой полуконсервативной репликации он согласовался. Меселсон и Сталь сделали поэтому вывод, что из трех выдвинутых ими гипотез экспериментальным данным соответствует только гипотеза полуконсервативной репликации. Позже в других опытах было показано, что полуконсервативная репликация свойственна также и эукариотической ДНК.
Для того чтобы началась репликация, две цепи двойной спирали должны разъединиться. Помогает этому процессу особый фермент (о трудностях, с которыми связано такое раскручивание, вы можете составить себе представление, если попытаетесь раскрутить полметра какой-нибудь крученой нити на две пряди). Две цепи ДНК расходятся, подобно половинкам застежки-молнии, по слабым водородным связям, соединявшим спаренные основания. Другие ферменты движутся вдоль каждой из цепей, строя сахаро-фосфатный остов новой цепи, т. е. связывая между собой нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам старой цепи (рис. 14.11). Новые цепи синтезируются сначала в виде коротких фрагментов, которые затем сшиваются в длинные цепи еще одним специальным ферментом.


ДНК в клетках
В прокариотической (бактериальной) клетке ДНК присутствует в виде одной двойной спирали, концы которой соединяются, образуя кольцо (рис. 14.12). В эукариотических клетках (т. е. у растений, животных, грибов и протестов) имеются хромосомы, каждая из которых состоит из чрезвычайно длинной молекулы ДНК с присоединенными к ней белками. Самая длинная хромосома плодовой мушки Drosophila содержит, например, молекулу ДНК


лярные белки. Расстояние от А до В соответствует приблизительно 60 нуклеотидным парам ДНК; между Л и С умещается около 200 нуклеотидных пар.
длиной 4,0 см. Длина тела самой плодовой мушки в 10 раз меньше, и уже из этого ясно, что молекулы ДНК во всех ее клетках должны быть весьма туго свернуты. Значительная часть ДНК закручена вокруг скоплений белка, так что хромосомы напоминают по виду нитку бус (рис. 14.13)[XI] 

Еще по теме Репликация ДНК:

1. 3.4.2 Свойства ДНК как вещества наследственности и изменчивости 3.4.2.1. Самовоспроизведение наследственного материала. Репликация ДНК
2. 3.4.2.2. Механизмы сохранения нуклеогидной последовательности ДНК. Химическая стабильность. Репликация. Репарация
3. 3.4.2.3. Изменения нуклеотидных последовательностей ДНК. Генные мутации
4. «Эгоистичная» ДНК и гены в организмах
5. ЧАСТЬ II. ИНФЕКЦИИ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ ДНК-СОДЕРЖАЩИМИ ВИРУСАМИ
6. ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ РНК И ДНК В КОРНЯХ И ЛИСТЬЯХ ВИНОГРАДА, ПОРАЖЕННЫХ ФИЛЛОКСЕРОЙ
7. 3.5.3. Проявление основных свойств материала наследственности и изменчивости на хромосомном уровне его организации
8. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЕМЕЙСТВА PARVOVIRIDAE
9. Генетическая изменчивость
10. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ СЕМЕЙСТВА ADENOVIRIDAE
11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕТРОВИРУСОВ
12. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЕМЕЙСТВА PAPOVAVIRIDAE
13. 8* От РНК к генам. Прогенота