Хранит наследственную информацию о признаках организма что это
Что такое ДНК и хромосомы
Что такое ДНК, и из чего она состоит? Кто и когда открыл эту молекулу в клетках человека и других живых организмов? Чем уникален открытый учеными механизм наследования, и какие последствия ждал весь мир после этого открытия? Всю необходимую информацию Вы можете узнать, прочитав эту статью.
Когда впервые в истории появилось упоминание о ДНК
Иоганнес Фридрих Фишер – врач и биолог-исследователь родом из Швейцарии, стал первым в мире ученым, выделившим нуклеиновую кислоту. Открытие случилось в 1869 году, когда он занимался изучением животных клеток, а именно лейкоцитов, которых много содержалось в гное. Совершенно случайно молодой ученый заметил, что при отмывании лейкоцитов с гнойных повязок от них остается загадочное соединение. Под микроскопом Иоганн обнаружил, что оно содержится в ядрах клеток. Это соединение Мишер назвал нуклеином, а в процессе изучения его свойств переименовал в нуклеиновую кислоту, из-за наличия свойств, как у кислот.
Роль и функции только открытой нуклеиновой кислоты были неизвестны. Однако многие ученые того времени уже высказывали свои теории и предположения о существовании механизмов наследования.
Нынешние взгляды на состав молекулы ДНК ассоциируются у людей с именами английских ученых Джорджа Уотсона и Фрэнсиса Крика, которые открыли структуру данной молекулы в 1953 году. За несколько лет до этого, в тридцатые годы, ученые из советского союза А.Н. Белозерский и А.Р. Кезеля доказали наличие ДНК в клетках во всех живых организмах, тем самым они опровергли теорию о том, что молекула ДНК находится только в клетках животных, а в клетках растений присутствует только РНК. Лишь спустя несколько лет, в 1944 году, группой освальдских ученых было установлено, что молекула ДНК является механизмом сохранения наследственной информации клетки. Таким образом, благодаря совместным усилиям и трудам исследователей человечество познало тайну процесса эволюции и его основных принципов.
ДНК в медицине
Открытие состава молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты позволило перейти медицине на новый уровень развития. Появилось большое количество новых направлений практической медицины, стали доступны новые методы лечения, диагностики. Благодаря этому фундаментальному открытию для науки и современным технологиям, человечеству стали доступны:
И это еще не все доступные для людей услуги, которые может предложить медицина, изучающая генетику. Выше были представлены только самые популярные среди людей тесты. Перспективой для многих ученых-генетиков является создание таких лекарств, способных победить все болезни на Земле и даже смертность.
Строение молекулы ДНК
От цепочки к хромосоме
В каждом живом организме находится миллионы клеток, а внутри этих клеток находится ядро. Клетки, содержащие в себе ядро, называются эукариотами или ядерными. У древних одноклеточных нет оформленного ядра. К таким безъядерным одноклеточным, или прокариотам, относятся бактерии и археи, например, кишечная палочка или серая анаэробная бактерия. Также ядро отсутствует в клетках вирусов и вироидов, однако причисление вирусов к живым организмам – вопрос спорный, о котором по сей день дискуссируют ученые.
В ядре находятся хромосомы – структурный элемент, в котором содержится молекула ДНК в виде спирали, хранящая внутри себя всю генетическую информацию клетки.
Процесс упаковки ДНК спиралей
Количество нуклеотидов в ДНК велико, и нужны длинные цепочки, чтобы вместить все их число, поэтому нити ДНК закручиваются в две спирали, что позволяет укоротить цепочки в 5 раз, сделав их более компактными. Нити ДНК могут также закручиваться в форму суперспирали. Двойная спираль пересекает свою ось и накручивается на специальные гистоновые белки – гиразы, образуя при этом супервитки. Таким образом, двойная спираль закручивается в спираль более высокого порядка. Сокращение цепочек в этом случае произойдет в 30 раз.
Как гены связаны с ДНК
Ген – самый изученный на сегодняшний день участок ДНК. Гены являются структурной единицей наследственности всех живых организмов. Цепочки нуклеотидов в ДНК состоят из генов, которые определяют генотип особи, например, цвет и разрез глаз, тип кожи, рост, группу и резус фактор крови и другие физиологические качества и особенности внешности.
Еще много отраслей генетики до конца не изучены, и до конца не раскрыты все функции генома, но ученые до сих пор продолжают изучение генов, чтобы добиться новых открытий в области генетики.
Хромосома: определение и описание
Хромосомы – структурный элемент клетки, находящийся внутри ядра. Они содержат в себе молекулы ДНК, в которых содержится вся наследственная информация.
Строение и виды хромосом:
Отсюда возникают различные типы хромосом:
Всего в клетке человека находится 46 хромосом: 22 пары аутосом, встречающиеся у обоих полов, и одна пара половых хромосом: XY – у мужчин, XX – у женщин. Забавно, что если прибавить к количеству хромосом хотя бы одну пару, то человек мог бы быть шимпанзе или тараканом, а если отнять, то – кроликом.
Еще интересно то, что человек и ясень имеют одинаковое количество хромосом, несмотря на принадлежность к разным видам и царствам.
Наследственные болезни
Генетический код – система записи генетической информации в ДНК и РНК в виде определенной последовательности в цепочке нуклеотидов. Он должен сохранять наследственную информацию в первоначальном виде, восстанавливая повреждения цепочки в последующем поколении с помощью ДНК. Однако ген может каким-то образом быть поврежден, либо в нем может произойти мутация.
Генные мутации – изменение в последовательности нуклеотидов, например выпадение, замена, вставка другого нуклеотида в цепочку. Последствия этих мутаций могут быть полезные, вредные или нейтральные. Примером полезных мутаций является устойчивость к минусовым температурам, увеличенная плотность костей, меньшая потребность во сне, устойчивость к ВИЧ и другие. Примером вредных мутаций является аллергия на солнечный свет, глухота слепота и так далее. К нейтральным мутациям относятся те мутации, которые не влияют на жизнеспособность, например, гетерохромия.
Существуют также летальные и полулетальные мутации. Летальные мутации несовместимы с жизнью и приводят к гибели организма на ранних этапах его развития, например, при рождении у особи отсутствует головной мозг. Полулетальные мутации не приводят к смерти особи, но значительно уменьшают ее жизнеспособность. К таким мутациям относятся заболевания человека, передающиеся по наследству. Например, наличие 47-й хромосомы может вызвать у человека синдром Дауна, а, наоборот, отсутствие 46-й парной хромосомы – сидром Шерешевского-Тернера.
Расшифровка цепочки ДНК
Расшифровка цепочки ДНК в клетке – это исследование всех известных генов в клетках человека. Хоть цена за такую услугу значительно упала за последние десять лет, однако такое исследование по-прежнему остается дорогим удовольствием, и не каждый человек сможет позволить себе оплатить такую услугу. Чтобы уменьшить цену этого исследования, расшифровку ДНК стали делить по тематикам. Таким образом, появились различные тесты, которые исследуют интересующую человека группу генов и ее функции.
Как происходит расшифровка цепочки ДНК?
Таким образом, ученые получают картину гена, которую можно изучить и расшифровать. Синтез РНК Нуклеотиды делятся на четыре базовых элемента, служащими основой для формирования генов: АТГЦ, или аденин, тимин, гуанин, цитозин. В их состав входят фосфорные остатки, азотистые основания и пептоза.
Важно, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты не должна выходить за пределы мембраны ядра. С помощью РНК, которая играет роль копии участка цепи с генетическим кодом, генетическая цепочка может покинуть ядро, попасть вовнутрь клетки и воздействовать на ее внутренние процессы.
Как это происходит:
Итак, группа генов, участвующих в процессе старения клеток может, как заставить процесс старения идти быстрее, так и вовсе его остановить и запустить процесс омолаживания. То есть, каждый из генов может спровоцировать синтез нескольких видов белка.
Сутягина Дарья Сергеевна
В нашей ДНК содержится очень много информации, но пока мы можем расшифровать лишь небольшой процент генов. Добавлю несколько интересных фактов о ДНК: возможность двойной ДНК у человека. Такое явление случается, когда при беременности в утробе развиваются близнецы, но в процессе развития плода они сливаются в одного человека. Длина одной молекулы ДНК человека равна 2 метрам, а общая длина цепочки ДНК всех клеток тела человека равна 16 млрд. километрам, что равно расстоянию от Земли до Плутона. ДНК человека и кенгуру всего лишь 150 млн. лет назад были одинаковыми. Все знания и информация во всем мире могла бы уместиться всего лишь в 2 граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.
ООО «Медикал Геномикс» Лицензия № ЛО-69-01-002086 от 06.10.2017
Юр. адрес: г. Тверь, ул. Желябова, 48
ООО «Лаб-Трейдинг», ИНН: 6950225035, ОГРН: 1186952017053, КПП:695001001
Юр. адрес: г. Тверь, ул. 1-Я За Линией Октябрьской Ж/Д, 2, оф. 22
Научная электронная библиотека
§ 3.1.4. Строение клетки
Размеры клетки широко варьируют от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса). У всех клеток, независимо от их формы, размеров, функциональной нагрузки обнаруживается сходное строение (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Схема строения живой клетки: 1 – оболочка; 2 – мембрана; 3 – цитоплазма; 4 – ядро; 4а – ядрышко; 5 – рибосомы; 6 – эндоплазматическая сеть (ЭПС); 7 – митохондрии; 8 – комплекс гольджи; 9 – лизосомы; 10 – пластиды; 11 – клеточные включения
Снаружи клетка одета мембраной. Внутренняя часть клетки содержит многочисленные органоиды – структурные образования клетки, выполняющие определенные функции жизнедеятельности клетки.
1. Оболочка. Присутствует только у растительных клеток. Состоит из волокон целлюлозы. Функции оболочки: защита клетки от внешних повреждений, придает стабильную форму клетки, эластичность растительным тканям.
Повреждение наружной оболочки приводит к гибели клетки (цитолиз).
2. Мембрана. Тончайшая структура (75 Ǻ), состоит из двойного слоя молекул липидов и одного слоя белков. Такая структура обеспечивает уникальную эластичность и прочность мембране
участие в обмене веществ. Эта функция связана с избирательной проницаемостью в клетку определенных веществ и выведение из нее продуктов обмена. В процессе питания в клетку могут проникать определенные растворы веществ (пиноцитоз) и твердые частицы (фагоцитоз).
Явление фагоцитоза – поглощение клеткой твердых частиц – впервые было описано русским врачом Мечниковым. Фагоцитарная особенность лежит в основе процесса иммунитета. Особенно развита у лейкоцитов, клеток костного мозга, лимфатических узлов, селезенки, надпочечников и гипофиза.
Пиноцитоз – поглощение клеткой растворов – состоит в том, что мельчайшие пузырьки жидкости втягиваются через образующуюся воронку, проникают через мембрану и усваиваются клеткой.
3. Цитоплазма – внутренняя среда клетки. Представляет собой гелеобразную жидкость (коллоидная система), состоит на 80 % из воды, в которой растворены белки, липиды, углеводы, неорганические вещества. Цитоплазма живой клетки находится в постоянном движении (циклоз).
транспортировка питательных веществ и утилизация продуктов обмена клетки;
буферность цитоплазмы (постоянство физико-химических свойств) обеспечивает гомеостаз клетки, поддерживает постоянные нужные параметры жизнедеятельности;
поддержание тургора (упругость) клетки;
все биохимические реакции происходят только в водных растворах, что обеспечивается в среде цитоплазмы.
4. Ядро – обязательный органоид эукариотических клеток. Впервые было исследовано и описано Р. Броуном в 1831 г. В молодых клетках расположено в центре клетки, в старых – смещается в сторону. Снаружи ядро окружено мембраной с крупными порами, способными пропускать крупные макромолекулы. Внутри ядро заполнено клеточным соком – кариоплазмой, основная часть ядра заполнена хроматином – ядерным веществом, содержащим ДНК и белок. Перед делением хроматин образует палочковидные хромосомы. Причём, хромосомы одинакового строения (но содержащие разные ДНК!) образуют пары, зрительно воспринимаемые как одно целое (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Хромосомный набор человеческой клетки перед началом деления
Структурирование всех хромосом в пары свидетельствует о том, что число хромосом – чётное. Поэтому, его часто обозначают 2n, где n – количество хромосомных пар, а соответствующий набор хромосом называют диплоидным. Например, у голубей n = 40 (80 хромосом), у мухи n = 6 (12 хромосом), у собаки n = 39 (78 хромосом), у аскариды n = 1 (2 хромосомы). У человека n = 23 (46 хромосом). Однако, в половых клетках число хромосом в два раза меньше. Поэтому набор хромосом в половых клетках называется гаплоидным. Клетки, не являющиеся половыми называются соматическими. Иногда клетки с гаплоидным набором хромосом называют гаплоидными клетками, а с диплоидным набором хромосом – диплоидными клетками.
При слиянии двух родительских гаплоидных половых клеток образуется диплоидная клетка, дающая начало новому организму с набором генов отца и матери
Совокупность всех хромосом ядра (а значит и генов) клетки называется генотип. Именно генотип определяет все внешние и внутренние признаки конкретного организма.
В соматических клетках 44 Х-образные хромосомы (22 пары) у женщин и мужчин идентичны (сходны по строению), их называют аутосомами. А 23-я пара имеет конфигурацию ХХ – у женщин и ХY – у мужчин. Эти пары хромосом именуются половыми хромосомами.
В половых клетках 22 хромосомы также одинаковые у яйцеклеток и у сперматозоидов, а 23-я хромосома конфигурации Х – у яйцеклетки и Х или Y – у сперматозоидов. Поэтому при слиянии половых клеток и образовании пар хромосом, 23-я пара будет ( <ХY>или <ХХ>) определять пол будущего ребенка.
Необходимо помнить, что хотя в соматических клетках набор хромосом диплоидный (2n), однако, перед началом деления клеток происходит репликация ДНК, то есть, удвоение их количества, а, значит, и удвоение
количества хромосом. Поэтому перед началом деления соматической клетки в ней насчитывается 4n хромосом (рис. 16). Она становится тетраплоидной.
– хранение генетической информации;
– контроль за всеми процессами, происходящими в клетке: делением, дыханием, питанием и др.
4а. Ядрышко – структура, содержащаяся в ядре. Ядро может содержат 1, 2 или более ядрышек. Функция ядрышка – формирование рибосом.
Следует отметить, что не все клетки имеют оформленное ядро. Клетки, имеющие ядро называются эукариотическими или эукариотами. Клетки, не имеющие ядра, называются прокариотическими или прокариотами. Функции ядра у прокариот несёт одна нить ДНК (именуется хромосома), в которой хранится вся генетическая информация. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Как правило, у прокариотов отсутствуют и некоторые другие органоиды. Размеры прокариотических клеток меньше, чем размеры эукариот.
5. Рибосомы – самые мелкие органоиды клетки. Были обнаружены в 1954 г. Французским ученым Паладом. Рибосомы были обнаружены в цитоплазме, а также на гранулярной ЭПС и в ядре.
Функция рибосом: обеспечение биосинтеза белка.
6. Эндоплазматическая сеть. Представляет собой каналы и полости, ограниченные мембраной. Различают две разновидности ЭПС: гранулярная ЭПС и агранулярная ЭПС. Гранулярная ЭПС морфологически отличается от агранулярной наличием на ее поверхности многочисленных рибосом (на агранулярной ЭПС рибосомы отсутствуют).
Функции эндоплазматической сети:
– участие в синтезе органических веществ: на гранулярной ЭПС синтезируются белки, на агранулярной – липиды и углеводы;
– транспортировка продуктов синтеза ко всем частям клетки.
Несложно уяснить, что гранулярная ЭПС характерна для клеток, синтезирующих белки (например клетки желез внутренней секреции), агранулярная ЭПС характерна для клеток-производителей углеводов и липидов (например клетки жировой ткани).
7. Митохондрии – крупные органоиды, состоящие из двойного слоя мембран: наружная – гладкая, внутренняя образует многочисленные гребнеобразные складки – кристы. Внутри митохондрии заполнены жидкостью (матрикс).
Функции митохондрий: основная функция митохондрий – обеспечение клетки энергией. Этот процесс происходит за счет синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) (рис. 3.15), в которой фрагмент
Рис. 3.15. Структурная формула аденозинфосфорных кислот. Для аденозинтрифосфорной кислоты n = 3, для аденозиндифосфорной кислоты n = 2, для аденозинмонофосфорной кислоты n = 1
При взаимодействии молекулы аденозинтрифосфорной кислоты с водой отщепляется один остаток фосфорной кислоты, в результате чего образуется аденозиндифосфорная кислота – АДФ и выделяется огромное количество энергии:
АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 + 10 000 калорий.
Впоследствии от АДФ может отщепляться еще один остаток фосфорной кислоты, образуя АМФ – аденозинмонофосфорную кислоту.
АДФ + Н2О = АМФ + Н3РО4 + 10 000 калорий[37].
Освободившаяся энергия используется для жизнедеятельности клетки (КПД процесса превышает 80 %!).
Наряду с распадом АТФ и выделением энергии в клетке постоянно происходит синтез АТФ и накопление энергии (обратные реакции).
Количество митохондрий в клетке зависит от потребности последней в энергии. Так, в клетках кожи человека находится в среднем 5–6 митохондрий, в клетках мышц – до 1000, в клетках печени – до 2500!
8. Комплекс Гольджи. Итальянский ученый Гольджи обнаружил и описал структуру клетки, напоминающую стопки мембран, цистерны, пузырьки и трубочки. Расположена эта система чаще всего возле ядра.
Функции комплекса Гольджи: в полостях комплекса накапливаются всевозможные продукты обмена клетки, которые по каким-либо причинам не вывелись наружу. В последствии эти продукты могут быть использованы клеткой для процессов жизнедеятельности. Из пузырьков и цистерночек комплекса Гольджи в растительных клетках образуются вакуоли, заполненные клеточным соком.
9. Лизосомы – мелкие органоиды. Представляют собой пузырьки, окруженные мембраной. Внутри лизосомы заполнены пищеварительными ферментами (обнаружено 12 ферментов), которые расщепляют и переваривают крупные макромолекулы (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты).
Функции лизосом: растворение и переваривание макромолекул. Лизосомы участвуют в фагоцитозе. Понятно, что основная функция по перевариванию поступающих в клетку частиц принадлежит лизосомам.
10. Пластиды. Эти органоиды характерны только для растительных клеток. Форма напоминает двояковыпуклую линзу. Структура пластид напоминает таковую у митохондрий: двойной слой мембраны. Наружная – гладкая, внутренняя образует складки, называемые тилакоидами. На тилакоидах происходит основной жизненно важный для всех зеленых растений процесс – фотосинтез:
Пластиды бывают трех типов:
1) Хлоропласты – зеленые пластиды. Их цвет обусловлен наличием хлорофилла. Хлорофилл – основное вещество хлоропластов (имеет зеленый цвет). Только благодаря хлорофиллу возможен процесс фотосинтеза (см. раздел 4.2). Хлоропласты придают зеленый цвет растительным организмам.
2) Хромопласты – пластиды, имеющие различные окраски: от ярко-желтого до пурпурно-багряного. Наличие различных пигментов окрашивают плоды, цветки и осенние листья растений в соответствующие цвета. Этот факт особенно важен для привлечения насекомых к цветкам, как природный индикатор созревания плодов и др.
3) Лейкопласты – бесцветные пластиды, в которых происходит накопление запасных питательных веществ (например, крахмала).
Некоторые виды пластид могут переходить друг в друга: например, переход хлоропластов в хромопласты: созревание томатов, яблок, вишни, и т. д.; изменение окраски листьев в осенний период времени. Лейкопласты могут переходить в хлоропласты: позеленение картофеля на свету. Это доказывает общность происхождения пластид.
11. Клеточные включения. Вакуоли. Это непостоянные и необязательные составляющие клетки. Они могут появляться и исчезать в течение всей жизни клетки. К ним относятся капли жира, зерна крахмала и гликогена, кристаллы щавелево-кислого кальция и др. Жидкие продукты обмена называются клеточным соком и накапливаются они в вакуолях. В клеточном соке растворены сахара, минеральные соли, пигменты и т. д. Чем старше клетка, тем больше клеточного сока накапливает клетка. Молодые клетки практически не содержат вакуолей.
Помимо перечисленного некоторые специализированные клетки обладают специальными органоидами. К ним относятся:
– реснички и жгутики, представляющие собой выросты мембраны клетки, осуществляющие движения клетки. Они имеются у одноклеточных организмов и многоклеточных (кишечный эпителий, сперматозоиды, эпителий дыхательных путей);
– миофибриллы – тонкие нити мышечных клеток, участвующие в сокращении мышц;
– нейрофибриллы – органоиды, характерные для нервных клеток и участвующие в проведении нервных импульсов. Кроме того, в состав клеток входят центриоли – две (иногда более) цилиндрические структуры диаметром около 0,1 мкм и длиной 0,3 мкм. Место расположения центриолей в период между делениями клетки считается серединой клеточного центра. При делении клетки центриоли расходятся в противоположные стороны – к полюсам, определяя ориентацию веретена деления (рис. 16).
Следует иметь в виду, что, хотя животные и растительные клетки имеют много общего, но между ними существуют и серьёзные различия (табл. 3.1).
Более общая классификация клеток представлена на рис. 3.16.
Одно из основных отличий бактерий от архей, состоит в химическом составе мембраны. Бактерии отделены от внешней среды двойным слоем липидов (жиров и жироподобных веществ). Мембраны архей состоят из терпеновых спиртов.
Хранение и реализация генет. информации в клетке
Полезная информация для каждого
Хранение и реализация генет. информации в клетке
1. Хранение генетической информации в клетке
Анатомия эукариотического генома
1.1.2. Геномы органелл
Анатомия прокариотического генома
Повторяющиеся последовательности геномной ДНК
2. ЭКСПРЕССИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
2.1. Этапы процессинга генетической информации
2.2. РНК, содержащаяся в клетке
2.4. Механизмы экспрессии генома
2.4.1. Обеспечение доступности генома
2.4.2. Инициация транскрипции
2.4.3. Деградация матричной РНК
2.4.4. Инициация трансляции
2.4.5. Процессинг, фолдинг и деградация белков
В настоящем пособии автор постарался представить полученные в последние 5-10 лет данные о строении геномов и механизмах информационного процессинга, то есть о способах реализации генетической информации, особенностях экспрессии геномов. Основной акцент сделан на особенности строения и на недавно выявленные механизмы работы генома человека.
1. ХРАНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ
1.1. Анатомия эукариотического генома
Геном – совокупность генов и других нуклеотидных последовательностей, находящихся в клетке. Другими словами – это вся ДНК, присутствующая в клетке. Гены – единицы наследственной информации, занимающие определенные положения в геноме и контролирующие выполнение определенных функций в организме. В составе гена как единицы считывания (транскрипционной единицы) могут присутствовать так называемые кодирующие и некодирующие последовательности. Первые у эукариот и архей называют экзонами. Вторые – интронами. Экзоны кодируют белки и некоторые виды РНК (рибосомальная, транспортная). Интроны разделяют экзоны. Их принято считать некодирующими участками геномной последовательности. Однако исследования последних лет показали, что в интронах заложена информация о строении микроРНК – небольных молекул РНК, обладающих регуляторными свойствами (Young-Kook Kim, N Narry Kim, 2007). Наряду с генами в геномах присутствуют псевдогены и фрагменты генов, повторяющиеся последовательности и так называемая «бессмысленная» ДНК. У разных организмов приведенные компоненты генома представлены в разной степени.
Геном эукариот состоит из ядерного генома и генома органелл. Основная часть генетической информации заключена в ядерном геноме, содержащемся в хромосомах ядра клеток, и намного меньшая часть локализована митохондриях и хлоропластах (в случае фотосинтезирующих организмов). Начнем рассмотрение геномов с ядерного генома.
1.1.1. Ядерные геномы эукариот
Все эукариотические ядерные геномы, которые в настоящее время изучены, разделены на несколько линейных молекул ДНК, содержащихся в разных хромосомах. Хотя основные физические характеристики эукариотических геномов сходны, одна важная черта значительно различается у разных организмов. Это размеры геномов. Наименьшие эукариотические геномы имеют длину менее 10 мегабаз, наибольшие – более 100 000 мегабаз. Одна мегабаза – это один миллион пар нуклеотидных оснований.
Гены менее сложных организмов гены упакованы теснее. У таких организмов нуклеотидные последовательности, разделяющие гены, меньше, чем у более сложных организмов. Различия в степени упаковки геномов хорошо видны при сравнении фрагмента третьей хромосомы дрожжей S. cerevisiae, расшифрованной в 1996 году, и фрагмента генома человека той же длины (Рис. 1).
Фрагмент третьей хромосомы дрожжевого генома обладает следующими чертами:
— Он содержит больше генов, чем человеческий сегмент. Этот регион третьей хромосомы дрожжей содержит 26 генов, кодирующих белки, и два гена, которые кодируют транспортные РНК – короткие не кодирующие белок молекулы РНК, участвующие в считывании генетического кода в процессе синтеза белка.
— Относительно небольшое количество дрожжевых генов прерывисто. В данном сегменте третьей хромосомы нет прерывистых генов. Суммарно в дрожжевом геноме, имеющем 5800 генов, обнаружено только 239 интронов, то есть участков некодирующей ДНК, разделяющих кодирующие участки. Заметим, что в человеческом геноме обнаружено более 300 000 интронов.
— Имеется небольшое число геномных повторов. Рассматриваемая часть хромосомы дрожжей содержит один длинный концевой повторяющийся элемент (LTR элемент), называемый Ty-2, и четыре неполных LTR элемента, названных дельта-последовательностями. Эти пять геномных повторяющихся последовательностей занимают 13,5 % протяженности рассматриваемого сегмента третей хромосомы дрожжей. Однако, такая ситуация не типична для дрожжевого генома в целом. После того, как была расшифрована нуклеотидная последовательность всех 16 хромосом дрожжей, подсчитали, что в расчете на весь геном дрожжей повторяющиеся последовательности составляют 3,4 %. У человека повторяющиеся последовательности занимают 44 % генома.
Таким образом, генетическая организация дрожжей более экономна, чем организация генома человека. Гены сами по себе более компактны, имеют очень мало интронов, расстояния между ними относительно короткие, меньше повторяющих последовательностей и некодирующих бессмысленных последовательностей.
Рис. 1. Сравнительная картина фрагментов геномов человека (А), дрожжей (В), дрозофиллы ©, кукурузы (D) и кишечной палочки (E), длиной 50 килобаз (T.A.Brown, 2002).
Дополнительной иллюстрацией того, что более сложные организмы имеют менее компактные геномы, является сравнительный анализ фрагмента генома дрозофилы, имеющего длину 50 килобаз, с фрагментами геномов той же длины у дрожжей и человека. Как видно из рис. 1, строение генома дрозофилы занимает промежуточное положение между геномами человека и дрожжей. Во фрагменте длиною 50 килобаз имеется 11 генов. Это больше, чем во фрагменте генома человека, но меньше, чем во фрагменте генома дрожжей. Семь из одиннадцати генов имеют интроны. Представленная картина характерна и для всего генома дрозофилы в целом. Плотность генов у дрозофилы занимает промежуточное положение между дрожжами и человеком. Гены дрозофиллы имеют намного большее количество интронов, чем у генов дрожжей, но почти в три раза меньше, чем у генов человека. Повторяющиеся последовательности составляют 12 %.
В настоящее время ясно, что количество геномных повторов играет основную роль в определении степени компактности генома. Это можно проиллюстрировать на примере генома кукурузы, который имеет размеры равные 5000 мегабаз, что значительно больше человеческого генома, но относительно мало в сравнении с геномами других цветковых растений. Секвенирование генома кукурузы показало, что основную его часть составляют повторяющиеся элементы.
Как видно из рис. 1, выбранный для примера регион генома кукурузы размером 50 килобаз содержит всего один ген, кодирующий алкогольдегидрогеназу, и еще один ген с неизвестной функцией. Доминирующими последовательностями в представленном регионе являются не последовательности, кодирующие белки, а геномные повторы. Большинство из них принадлежит к LTR элементам, которые составляют почти все некодирующие участки представленого фрагмента и занимают по произведенным оценкам приблизительно 50 % от генома кукурузы. Подобным образом за счет большого количества геномных повторов может быть увеличен и размер геномов других организмов. Так, геном Amoeba dubia в соответствии с геномами других простейших должен иметь размеры 100-500 килобаз, но имеет размеры 200 000 мегабаз.
Ядерный геном расщеплен на несколько линейных молекул ДНК, содержащихся в отдельных хромосомах. Исключения из этого правила не известны. Все эукариоты, которые к настоящему времени изучены, имеют, по крайней мере, две хромосомы, а молекула ДНК всегда линейна. Вариабельность генома на этом уровне заключается в разном количестве хромосом у разных видов организмов. Так, геном дрожжей построен из 16 хромосом, а геном дрозофилы из 4 хромосом. Однако никакой связи между количеством хромосом и размером генома не обнаружено. Геномы некоторых саламандр в 30 раз больше человеческого, но построены из вдвое меньшего количества хромосом. Эти сопоставления интересны, но в настоящее время ничего нельзя сказать о смысловой нагрузке, которую несет то или иное количество хромосом.
Хромосомы намного короче, чем входящие в их состав молекулы ДНК. Средняя человеческая хромосома содержит молекулу ДНК длиной около 5 см. Для размещения столь длинной молекулы ДНК в хромосоме нужна сложно организованная система упаковки. Способ упаковки влияет на экспрессию отдельных генов, а значит, на механизмы реализации генетической информации.
Важный прорыв в понимании принципов упаковки ДНК был осуществлен еще в начале 70-х годов прошлого века при использовании комбинации биохимических методов и электронной микроскопии. Тогда уже было известно, что ДНК ассоциирована с ДНК-связывающими белками, называемыми гистонами, но истинная природа ассоциации была не понятна. В 1973-74 годах несколько групп исследователей осуществили эксперименты, в которых обрабатывали комплексы ДНК и гистонов нуклеазами. Последние режут ДНК в позициях, которые не защищены белками в составе ДНК-гистоновых комплексов. После ограниченной обработки очищенного хроматина нуклеазами основная масса получавшихся фрагментов ДНК имела длину примерно 200 пар нуклеотидов или была кратна им, что предполагает регулярное расположение гистоновых белков вдоль молекулы ДНК.
Данные биохимиков были подтверждены электронно-микроскопическими наблюдениями очищенного хроматина. На нити ДНК были обнаружены белковые образования в виде зерен. Дальнейший биохимический анализ показал, что каждое зерно, или нуклеосома, содержит восемь молекул гистонов (по две молекулы гистонов Н2А, Н2В, Н3, Н4), которые образуют так называемый коровый октамер. Снаружи его дважды огибает нить ДНК. Стало понятно, что 140 или 150 пар нуклеотидов ассоциировано с нуклеосомной частицей. Нуклеосомы разделены участком связующей, линкерной ДНК длиной 50-70 пар оснований. В сумме получается 190-220 пар оснований на одну нуклеосому.
Кроме коровых гистонов в ядре имеется группа дополнительных гистонов, тесно связанных друг с другом и вместе названных линкерными гистонами. У позвоночных они включают гистоны Н1а-е, Н1о, Н1t и Н5. Отдельные линкерные гистоны связываются с каждой нуклеосомой с образованием хроматосомы, но истинное расположение линкерных белков пока не известно. Структурные исследования подтверждают традиционную модель, в соответствии с которой линкерные гистоны действуют как защелка, предотвращающая отсоединение свернутой ДНК от нуклеосомы. Однако, результаты других исследований свидетельствуют о том, что, по крайней мере, у некоторых организмов, связующие гистоны не локализуются на поверхности нуклеосом, как это предполагается в соответствии с первой моделью, а расположены между коровым октамером и ДНК (Pruss 1995).
Выявлена конденсированная форма нуклеопротеидного комплекса, названная 30-нанометровыми нитями (фибриллами), шириной примерно 30 нм. Истинный механизм, с помощью которого нуклеосомы ассоциируют в нити, неизвестен, но предложено несколько моделей. Наиболее популярна соленоидная модель. Отдельные нуклеосомы в составе нитей могут соединяться вместе в единую структуру с помощью линкерных гистонов или коровых гистонов, чьи хвосты экспонированы из нуклеосом. Модель подтверждается тем, что биохимическая модификация хвостов приводит к развертыванию 30-нанометровых нитей и появлению способности генов к активации.
30-нанометровые нити составляют основной тип хроматина в ядре в интерфазе, то есть в период между делениями ядер клеток. При делении ядра ДНК принимает более компактную форму упаковки, что приводит к образованию высоко конденсированных метафазных хромосом, видимых в световой микроскоп.
Метафазные хромосомы образуются на стадии клеточного цикла после репликации ДНК, когда каждая хромосома несет по две копии ДНК. Две копии ДНК удерживаются вместе в районе центромеры, которая находится в специфической позиции у каждой хромосомы. Имеется множество различных методов окраски хромосом. С их помощью выявлено характерное распределение полос, индивидуальное для каждой хромосомы. Набор хромосом называют кариограммой, его можно рассматривать как характерную черту организма того или иного вида.
ДНК, расположенная в районе центромер, и присоединенные к ней белки также имеют специальные характеристики. Нуклеотидная последовательность центромерного участка ДНК очень хорошо изучена у арабидопсис (Arabidopsis thaliana). Центромеры арабидопсис имеют протяженность 0,9-1,2 мегабаз и все они построены из повторяющихся последовательностей размером 180 пар оснований. У человека эквивалентные последовательности имеют протяженность, равную 171 паре оснований. Они названы альфоидной ДНК. Наряду с повторяющимися последовательностями у арабидопсис в этом районе имеется также небольшое количество генов. Их плотность составляет 7-9 генов на 100 килобаз в сравнении с 25 генами на 100 килобаз в нецентромерных последовательностях хромосом арабидопсис. Обнаружение того факта, что центромерная ДНК содержит гены, было большим сюрпризом, поскольку считалось, что этот регион генетически не активен.
Известно, по крайней мере, 7 специальных центромерных белков. Один из них, CENP-A, похож на гистон Н3 и даже способен заменять его в центромерных нуклеосомах. Предполагается, что специфические центромерные белки имеют отношение к функциям этого региона хромосом и участвуют в прикреплении веретена к метафазным хромосомам. Часть кинетохора построена из альфоидной ДНК, CENP-A и других белков, но их структура пока не описана в деталях.
Второй важной частью хромосомы является ее терминальный регион или теломера. Теломеры маркируют концы хромосом и тем самым дают возможность репарационным механизмам клетки отличать разрывы хромосом от натуральных концов хромосом. У человека теломерная ДНК построена из сотен повторяющихся мотивов 5’-TTAGGG-3’, с которыми связываются два специальных белка TRF-1 и TRF-2, участвующих в регуляции длины теломеры. Еще один теломерный белок образует связь между теломерой и периферией ядра и определяет место локализации конца хромосомы в ядре клетки. Несколько других белков регулируют ферментативную активность, поддерживающую длину каждой теломеры в процессе репликации ДНК. Эта активность является критически важной для сохранения хромосомы.
В геноме большинства организмов гены располагаются неупорядоченно. Существуют вариации в плотности генов на разных участках хромосом. Как уже упоминалось, средняя плотность расположения генов у арабидопсис составляет 25 генов на 100 тысяч пар нуклеотидов. Разброс частоты встречаемости генов в разных участках генома этого растения составляет от 1 до 38 генов на 100 тысяч пар оснований. Плотность генов в геноме человека варьирует от 0 до 64 генов на сто тысяч пар нуклеотидов.
Важной общей чертой всех геномов является наличие мультигенных семейств – групп генов, имеющих идентичную или близкую последовательность. Например, для всех эукариот, у которых определена нуклеотидная последовательность ДНК, обнаружено множество копий генов, кодирующих рибосомальные РНК. В частности, человеческий геном содержит приблизительно 2000 генов 5S РНК, локализованных в едином кластере первой хромосомы. Имеется также 280 копий повторяющихся единиц, содержащих гены 28S, 5,8S, 18S рибосомальных РНК. Предполагается, что такое большое число копий нужно клетке в период деления, для обеспечения быстрого синтеза белка в этот период.
Гены транспортных РНК также являются примерами классических, или простых, мультигенных семейств, в которых все члены семейства идентичны или имеют почти идентичные последовательности. Такие семейства возникают вследствие дупликаций генов и сохраняют исходную нуклеотидную последовательность на протяжении значительных отрезков времени в процессе эволюции.
Другие мультигенные семейства, более характерные для высших эукариот, называются сложными. Индивидуальные члены таких семейств имеют сходные, но, тем не менее, значительно различающиеся последовательности. Продукты таких генов различаются. Один из самых известных примеров сложного мультигенного семейства – это глобиновые гены млекопитающих. Глобины являются белками крови. Каждая молекула гемоглобина состоит из двух глобинов альфа-типа и двух глобинов бета-типа. У человека глобины альфа-типа кодируются небольшим мультигенным семейством, расположенным на 16 хромосоме, а глобины бета-типа – вторым семейстом, локализованным на хромосоме 11.
Гены глобинов были среди первых, для которых в конце 70-х годов была определена нуклеотидная последовательность. Результаты секвенирования показали, что в каждом семействе гены похожи друг на друга, но не идентичны. Нуклеотидные последовательности наиболее отличающихся друг от друга генов внутри семейства бета-глобинов (бета и эпсилон глобины) идентичны только на 79,1%. Этого сходства было достаточно, чтобы отнести оба белка к одному семейству. Подобные различия обнаружены и в генах альфа-кластера.
Почему члены семейства генов глобинов отличаются друг от друга? Ответ на этот вопрос был получен при исследовании экспрессии отдельных генов на разных стадиях развития организма человека. Так, гены эпсилон, G? и A?, относящиеся к бета-кластеру, экспрессируются на ранних стадиях эмбрионального развития. Сигма и бета гены экспрессируются во взрослом организме. Все эти гены в разной степени отличаются друг от друга. Белковые продукты этих генов выполняют различающиеся функции. Различия в биохимических свойствах глобиновых белков отражают сравнительно небольшие, но существенные изменения в физиологической роли, которую они играют на разных стадиях развития человека.
В некоторых мультигенных семействах индивидуальные представители кластеризованы, то есть, расположены сравнительно компактно, в одном участке хромосомы. В других семействах гены могут быть разбросаны по всему геному. Пример такого диспергированного семейства – пять генов альдолазы, фермента энергетического обмена. Они локализованы на 3, 9, 10, 16 и 17 хромосомах. Важно, что даже если гены диспергированы, то все равно представители этого семейства имеют сходство в своих последовательностях, что отражает общность эволюционного происхождения.
При сравнении этих последовательностей можно проанализировать взаимоотношения не только внутри генов данного семейства, но также и между разными семействами. Например, гены семейств альфа и бета глобинов имеют некоторое сходство в последовательностях, исходя из чего, было сделано заключение о существовании у них единого эволюционного предшественника. То есть эти два семейства составляют суперсемейство, а степень сходства между отдельными представителями этого суперсемейства отражает их эволюционную близость.
1.1.2. Геномы органелл эукариот
Первые указания на присутствие экстрахромосомных генов были получены еще в 50–х годах прошлого века при исследовании необычного характера наследования некоторых признаков у Neurosporra crassa, S. cerevisiae и фотосинтетической водоросли Clamidomonas reinhardtii. Электронная микроскопия в сочетании с биохимическими методами позволили сделать заключение о существовании митохондриального генома и генома хлоропластов, которые независимы и отличаются от ядерного генома.
Почти все эукариоты имеют митохондриальные геномы. Все фотосинтезирующие эукариоты имеют геномы хлоропластов. Изначально считалось, что геномы всех органелл представляют собой кольцевые молекулы ДНК. Электронная микроскопия показала, что в некоторых органеллах присутствуют как кольцевые, так и линейные молекулы ДНК. Было предположено, что линейные молекулы просто являются фрагментами кольцевых геномов и получены в результате их частичного разрушения. В настоящее время известно, что кольцевые геномы нередко сосуществуют с линейными геномами, например в хлоропластах. Коме того, обнаружено, что геном органелл может быть фрагментирован. Так, геном хлоропластов одного из представителей морских динофлагеллят расщеплен на множество кольцевых геномов, каждый из которых несет один ген. Кроме того, известно, что у целого ряда низших эукариот геном митохондрий разбит на множество линейных фрагментов (Paramtcium, Сhlamydomonas и некоторые дрожжи).
Множественность копий геномов органелл не всегда понятна. Каждая митохондрия человека содержит около 10 копий идентичных молекул. Это означает, что в клетке присутствует почти 8000 копий таких молекул. В клетках S. cerevisiae общее количество митохондриальных геномов вероятно меньше, даже несмотря на то, что у них присутствует боле 100 геномов на митохондрию. Фотосинтезирующие организмы, такие как Chlamidomonas, имеют приблизительно 1000 хлоропластных геномов на клетку, которые включают всего лишь одну пятую часть от количества хлоропластных генов у высших растений.
Размеры митохондриальных геномов очень вариабельны у разных видов эукариот и не соотносятся со сложностью организма. Большинство многоклеточных животных имеют небольшие митохондриальные геномы с компактной генетической организацией. Гены тесно прилегают друг к другу, расстояния между ними невелики. Человеческий митохондриальный геном имеет размер, равный 16569 пар оснований. Он типичен для митохондриального генома позвоночных. Низшие эукариоты, такие как S. cerevisiaе, так же как и цветковые растения, имеют намного большие и менее компактные геномы митохондрий с множеством генов, содержащих интроны.
Геномы хлоропластов менее вариабельны по размерам и большинство имеют структуру, подобную структуре генома хлоропластов риса.
Размеры геномов органелл намного меньше размеров ядерных геномов. Репертуар составляющих их генов также менее разнообразен. В митохондриальных геномах, имеющих высокую вариабельность от вида к виду, количество генов варьирует от пяти у малярийного плазмодия до 92 у простейшего Reclinomonas аmericana. Однако имеются и общие для всех митохондриальных геномов характеристики. Все митохондриаьные геномы содержат гены некодирующих рибосомальных РНК и гены некоторых компонентов дыхательной цепи, то есть гены, необходимые для выполнения основной функции митохондрий. Более крупные митохондриальные геномы кодируют также транспортные РНК, рибосомальные белки, белки, обеспечивающие транскрипцию, трансляцию и транспорт других белков в митохондрию из цитоплазмы.
Большинство геномов хлоропластов несут набор примерно из 200 генов или сходное число генов. Они кодируют рибосомальные РНК, транспортные РНК, рибосомальные белки, и белки, вовлеченные в фотосинтез. Общей чертой геномов органелл является наличие генов, кодирующих белки этих органелл. Однако это не все белки, которые им необходимы. Недостающие белки кодируются ядерным геномом, синтезируются в цитоплазме и транспортируются из цитоплазмы в органеллы.
Почему ядерные геномы не кодируют все белки, необходимые органеллам? Твердого ответа на этот вопрос пока нет. Предполагается, что, по крайней мере, сверхгидрофобные белки, кодируются органеллами, поскольку не могут транспортироваться через мембрану, которая окружает митохондрию или хлоропласт. В этой ситуации остается только один путь – синтезировать белок внутри органеллы.
Открытие геномов у митохондрий и хлоропластов вызвало множество спекуляций об их происхождении. В настоящее время большинство биологов согласны с эндосимбиотической теорией, предложенной еще в 60-х годах прошлого века. Эндосимбиотическая теория основывается на том, что экспрессия генов в органеллах напоминает экспрессию генов в бактериях. Кроме этого, анализ нуклеотидных последовательностей генов органелл обнаружил, что они более сходны с бактериальными, чем с эукариотическими. Эндосимбиотическая теория предполагает, что митохондрии и хлоропласты являются реликтами свободно-живущих бактерий, которые образовали симбиотические ассоциации с предшественниками эукариотических клеток.
Подтверждением эндосимбиотической теории является открытие организмов, для которых обнаружены менее продвинутые стадии симбиоза, чем симбиоз между митохондриями (хлоропластами) и клеткой. Демонстрацией ранних стадий симбиоза могут быть простейшие, такие, например, как Ceanoiphora paradoxa. Их фотосинтезирующие структуры, названные цианеллами, отличаются от хлоропластов и напоминают непереваренные цианобактерии. Сходным образом, риккетсий, живущих внутри эукариотических клеток, можно рассматривать в качестве современной версии бактерий, которые дали начало митохондриям. Также предполагается, что гидрогеносомы трихомонад, некоторые из которых имеют геном, являются одним из вариантов эндосимбиотических митохондрий.
1.2. Анатомия прокариотического генома
Геном прокариот существенно отличается от генома эукариот. Он обычно значительно меньше как по размеру, так и по количеству генов. Лишь в отдельных случаях между ними имеются некоторое сходство в размерах геномов и количестве генов. Оно может наблюдаться при сравнении геномов прокариот с геномами низших прокариот. Например, геном кишечной палочки E. coli K12 имеет размеры, равные 4639 килобаз и содержит только 4405 генов. Напомним, что геном S. сerevisiae содержит 5800 генов, однако его размеры значительно больше (12,6 мегабаз). В то же время B. megaterium имеет геном, протяженностью 30 мегабаз.
Физическая организация геномов также различается у эукариот и прокариот. Традиционный взгляд на прокариотический геном заключается в том, что он представляет собой единственную кольцевую молекулу ДНК, то есть единичную хромосому. Однако, в дополнение к ней имеются еще кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Гены плазмид полезны микроорганизмам, поскольку кодируют такие свойства, как устойчивость к антибиотикам, способность утилизировать сложные соединения из внешней среды и так далее. Плазмиды не обязательны для жизни микроорганизмов, бактерии могут существовать и без них.
Традиционные взгляды на строение генома прокариот основаны на представлениях, полученных при изучении генома кишечной палочки как типичного прокариота. На самом деле прокариоты демонстрируют значительные различия в организации геномов. Некоторые имеют унипартитные геномы, как например кишечная палочка. У других строение генома является более сложным. Например, Borrelia burgdorferi B31 имеет линейную хромосому размером 911 килобаз, содержащую 853 гена. Она сопровождается 17 или 18 линейными и кольцевыми молекулами, размер которых суммарно составляет 533 килобазы. Они кодируют 430 генов. Мультипартитный геном известен и для многих других бактерий и архей.
Несмотря на разнообразие в строении геномов прокариот, кишечную палочку все же рассматривают в качестве типичного представителя прокариот. Типичным является наблюдаемая у кишечной палочки компактность прокариотического генома. На рисунке 1, где представлен фрагмент генома кишечной палочки размером 50 килобаз, сразу бросается в глаза, что в составе этого фрагмента имеется намного больше генов, чем у эукариот, а межгенные пространства очень невелики.
Представленный фрагмент генома содержит 43 гена, занимающих 85,9% пространства этого сегмента. Некоторые гены не имеют выраженных границ между собой. Так, гены thrA и thrB разделены всего одним нуклеотидом. Ген thrC начинается с нуклеотида, немедленно следующим за последним нуклеотидом гена thrB. Эти три гена являются примером оперона, то есть группы генов, вовлеченных в один сигнальный биохимический путь (в данном случае – в синтез треонина). Они экспрессируются координировано по отношению друг к другу. В настоящее время опероны используются как модельные системы для изучения принципов регуляции генов.
В целом, гены прокариот короче, чем гены эукариот. Средний размер бактериального гена составляет примерно две трети от эукариотического гена, даже если не учитывать интроны. В то же время бактериальные гены длиннее, чем гены архей.
Две другие особенности прокариотического генома становятся понятны при дополнительном анализе рис. 1. Во-первых, в геноме кишечной палочки отсутствуют интроны. Фактически в ее геноме нет прерывистых генов и это является типичной чертой для прокариот, но не архей. Второй отличительной чертой является низкая частота повторяющихся последовательностей. Большинство прокариотических генов не имеет каких-либо эквивалентов высококопийных повторяющихся последовательностей, найденных в эукариотических геномах. Однако, они несут низкопокийные последовательности, например инсерционные последовательности IS1 и IS186, представленные во фрагменте размером 50 килобаз. Имеются и другие примеры транспозабельных элементов, последовательности которых имеют способность перемещаться по геному, и, как в случае инсерционных элементов, переноситься от одного организма другому даже иногда между организмами разных видов.
Позиции IS1 и IS186 элементов, показанные на рис. 1, характерны именно для данного изолята кишечной палочки. Если изучать различные изоляты, то IS последовательности будут занимать разные позиции или могут полностью отсутствовать в геноме. Большинство других прокариотических геномов имеют очень мало повторяющихся последовательностей. Так, они практически отсутствуют в геноме Campylobacter jejuni NCNC11168. Однако, имеется исключение – Neisseria meningitidis Z2491, геном которой включает свыше 3700 копий различных типов повторяющихся последовательностей, составляющих в общей сложности 11% от генома и имеющих объем 2,18 мегабаз.
Кольцевая хромосома кишечной палочки имеет длину окружности, равную 1,6 мм. В то же время размеры клеток E. coli составляют в среднем 1,0 х 2,0 мкм. Как и эукариот, упаковка достигается с помощью ДНК-связывающих белков, которые упаковывают геном в определенном порядке. Итоговая структура внешне не похожа на эукариотическую хромосому, но, тем не менее, исследователи используют термин «бактериальная хромосома» для обозначения наследственного материала бактериальных клеток. Используется также термин «нуклеоид»
Значительная часть данных об организации ДНК в составе нуклеоида получена при изучении кишечной палочки. Первоначально было обнаружено, что кольцевой геном кишечной палочки является суперскрученым (supercoiled). Суперскрученность возникает, когда в двойную спираль ДНК вводятся дополнительные повороты (положительная суперскрученность) или когда они, наоборот, исчезают (отрицательная суперскрученность). В линейной молекуле возникающие торсионные силы тотчас раскрутили бы эту супер- или наоборот гипозакрученность и привели бы спираль в нормальное состояние, но в кольцевой молекуле, не имеющей концов, такого не происходит. Вместо этого кольцевая молекула, вращаясь вокруг себя, образует более компактную структуру.
Суперскрученость рассматривают как идеальный способ упаковки круговой молекулы в компактную структуру в замкнутом пространстве. Данные об участии суперскрученности в упаковке круговой молекулы ДНК у кишечной палочки были получены в 70-х годах при изучении изолированного нуклеоида и затем были подтверждены как свойство ДНК, характерное для живой клетки. У кишечной палочки суперскрученность генерируется и контролируется двумя ферментами – ДНК-гиразой и ДНК- топоизомеразой I. Они играют важную роль в репликации ДНК. Изучение изолированного нуклеоида в живых клетках показало, что если в нить ввести разрывы, то молекула ДНК получает ограниченную свободу вращения. Наиболее вероятное объяснение заключается в том, что бактериальная ДНК связана с белками, которые ограничивают свободу ее вращения. Расщепление молекулы ферментами приводит к расслаблению структуры ДНК лишь в ограниченных участках. Согласно существующей модели ДНК присоединяется к белковому ядру (кору). Из точки присоединения выходит 40-50 суперскрученных петель. Каждая петля содержит приблизительно 100 килобаз суперскрученной ДНК. Это то количество ДНК, которое становится свободным после единичного расщепления молекулы.
Белковый компонент нуклеоида включает гиразу и топоизоимеразу I. Эти два фермента изначально ответственны за поддержание суперскрученного состояния ДНК. Имеется также набор из минимум 4-х белков, играющих более специфическую роль в упаковке бактериальной ДНК. Одним из таких белков является упаковочный белок HU, который структурно сильно отличается от эукариотических гистонов, но выполняет сходную с ними функцию, образуя тетрамеры, вокруг которых наматывается приблизительно 60 пар оснований ДНК.