Уникальные и повторяющиеся последовательности ДНК.

Более половины геномной ДНК эукариотических организмов принадлежит к классу уникальных, или неповторяющихся, последовательностей. Это утверждение (а также оценки, касающиеся распределения в геноме повторяющихся последовательностей ДНК) базируется на данных непрямых экспериментов с применением различных методик ДНК-РНК-гибридизации, позволяющих получить лишь приблизительную оценку. У дрожжей — низших эукариот — экспрессируется около 4000 генов. В типичной ткани млекопитающих (печень или почки) экспрессируется от 10000 до 15000 генов. При этом в каждой ткани происходит экспрессия специфического набора генов. Каким образом это достигается, по-прежнему остается одним из центральных вопросов современной биологии.

Интроны

Кодирующие области ДНК, транскрипты которых попадают в цитоплазму в составе «зрелых» молекул мРНК, прерываются в геноме длинными последовательностями некодирующей ДНК. Соответственно первичные транскрипты ДНК содержат некодирующие промежуточные последовательности.

РНК, которые должны быть удалены в процессе созревания, обеспечивающего также и правильную стыковку (сплайсинг) кодирующих сегментов в зрелых мРНК. Большинство последовательностей, транскрипты которых представлены в зрелой мРНК, разорваны в геноме от одного до пятидесяти раз некодирующими вставками (нитронами). Как правило, интроны значительно длиннее, чем кодирующие участки (экзоны). Процессинг первичного транскрипта, включающий удаление интронов и сплайсинг соответствующих экзонов.

Функция интронов точно не установлена. Можно предположить, что они служат для физического разделения экзонов, соответствующих функциональным доменам кодируемых белков, с целью оптимизации процесса генетических перестроек (рекомбинаций), которые могут происходить с более высокой эффективностью при наличии интронов, чем в случае сосредоточения генетической информации в одном континууме. Увеличение темпа генетических перестроек функциональных доменов может рассматриваться как фактор ускорения эволюции биологических функций.

Повторяющиеся последовательности ДНК

Под повторяющимися последовательностями ДНК (повторами) понимается широкий спектр как умеренно повторяющихся, так и часто повторяющихся (высокоповторяющихся) последовательностей ДНК. По крайней мере 20—30% генома человека представлено повторами.

Высокоповторяющиеся последовательности состоят из участков длиной в 5—500 пар оснований, повторяющихся много раз и расположенных один за другим (тандемно). Эти последовательности обычно образуют кластеры и присутствуют в количестве от 1 до 10 миллионов копий на гаплоидный геном. Высокоповторяющиеся последовательности транскрипционно-неактивны и, вероятно, участвуют в структурировании хроматина.

Умеренно повторяющиеся последовательности, присутствующие в количестве менее чем 106 копий на гаплоидный геном, не образуют кластеров, а чередуются с неповторяющимися (уникальными) последовательностями. Они могут быть как короткими, так и весьма протяженными. Длинные диспергированные повторы состоят из 5000—7000 пар оснований и представлены в количестве 1000—100000 копий на гаплоидный геном. Они фланкированы с обоих концов прямыми повторами длиной в 300— 600 пар оснований (рис. 38.8). Во многих случаях длинные повторы транскрибируются РНК-полимеразой II в виде молекул мРНК, содержащих такие же кэпированные 5-концы, как и мРНК.

Схема длинного диспергированного повтора. Отмечено расположение на концах повтора коротких прямых повторов (abc) и соответствующих комплементарных участков (аbс).

Короткие диспергированные повторы представляют семейства родственных, но отличных друг отдруга фрагментов длиной от единиц (нескольких пар) до нескольких сотен пар нуклеотидов. Короткие повторы активно транскрибируются либо как компоненты интронов, либо под контролем ДНК-зависимой РНК-полимеразы III как самостоятельные элементы. Наиболее многочисленным семейством коротких диспергированных повторов в геноме человека является семейство Alu, насчитывающее около 500000 копий на гаплоидный геном, что составляет 3—6% от общего размера генома человека. Повторы этого семейства (а также их аналоги у животных) транскрибируются и в составе и в виде дискретных молекул РНК, включая хорошо изученные. Такого типа последовательности высококонсервативны как внутри данного вида, так и у разных видов млекопитающих. По своей структуре короткие диспергированные повторы, в том числе члены семейства Alu, напоминают длинные концевые повторы ретровирусов (LTR). По-видимому, это мобильные элементы, способные как встраиваться, так и вырезаться из различных участков генома.