3-мавзу: Геномлар хилма-хиллиги ва уларнинг структураси Режа

Тўлиқ нуклеотидлар кетма-кетлиги аниқланган геномлар тавсифи

Тур номи	Домен	Геном ўлчами (ж.н.)	Кодловчи кетма-кетликлар % и	GC %	ORF сони	Тасниф
Mycoplasma genitalium	B	580 070	89,7	32	479	грам+*, сийдик пуфаги яллиғланишини чақиради
Mycoplasma pneumoniae	B	816 394	88,7	40	677	грам+*, пневмония қўзғатувчиси
Borrelia burgdorferii	B	910 725^# 533 000^##	93	28,6 дан 23,6 гача	853* 430*	грам-, кана спирохетози қўзғатувчиси (Лайм касаллиги), хўжайинлари: кемирувчилар, иксод каналар, одам
Chlamidia trachomatis	B	1 042 519 + плазмид 7493		41,3	894	грам-**, сийдик йўллари яллиғланишини ва трахомани чақиради
Rickettsia prowazekii	B	1 111 523	76	29,1	834	грам-, тошмали тифнинг қўзғатувчиси
Treponema pallidum	B	1 138 006	92,9	52,8	1041	грам-, сифилис қўзғатувчиси
Chlamidia pneumoniae	B	1 230 230		40,6	1073	грам-**, пневмония қўзғатувчиси
Aquifex aeoliticus	B	1 551 335	93	43,4 36,4	1512 32	грам-,хемолитотроф, микроаэрофил, термофил, Топт 85^0С
Meihanococcus jannaschii	A	1 660 000 Плазмидлар: 58000		31,4 28,2 28,8	1738 44 12	Анаэроб, метоноген, чуқур термаль булоқларда яшайди. Топт 85^0С
Pyrococcus horikoshii	A	1 738 505	90,7	41,9	2061	Анаэроб, гипертермофил Топт 98^0С
Methanobacterium thermoautotrophicum	A	1 751 377			1855	Термофил, Топт 65°С
Haemophilus influenzae	B	1 830 137		38	1073	Грам^-,отит, ОРЗ чақиради, менингит қўзғатувчиси
Thermotoga maritima	B	1 860 725	95	46	1877	Эубактерияларнинг қадимий турларидан бири, Топт 65°С
Archeoglobus fulgidus	А	2 178 400	92,2	48,5	2436	Олтингугуртни метоболитлайди, Топт 83°С
Synechosystis sp. PCC6803	B	3 573 470	87		3168	Грам^-, фотосинтезловчи цианабактериялар
Bacillus suhtilis	B	4 214 810	87	43,5	4100	Грам^-, автотроф
Mycobacterium tuberculosis H37Rv	B	4 411 529	91	65,6	4000	Грам^-, тубуркулёз қўзғатувчиси
Escherichia coli K-12	B	4 639 221	88,6	50,8	4288	Грам^-, протроф энтобактерия
Saccharomyces cerevisiae	E	12 068 000 (16 хромосома)			5885

А- архей, В — бактерия, Е — эукариот. Грам+ ва грам- белгилар ҳужайра деворининг турини кўрсатади. # белги В. burgdorferii нинг чизиқли геномини билдиради. ## нуклеотидлар кетма-кетлиги аниқланган 11 та В.burgdorferii плазмидлари бўйича умумий маълумотлар. Ҳаммаси бўлиб боррелия ҳужайрасида 20 тагача турли плазмидлар бўлиши мумкин. * грам⁺ бактерияларга мансуб, ҳужайра деворига эга эмас. ** муреин қават, грам^- типидаги ҳужайра девори йўқ
Эволюция жараёнида генларнинг битта оперонга бирлашиши бир қатор муҳим афзалликларга эга бўлиши мумкин. Генларнинг оперон тузилмаси улар экспрессиясининг уйғунлашган ҳолда амалга ошиши учун зарурдир. Бошқа томондан бир хил функцияни бажарадиган генларнинг кластерлашуви уларнинг муҳим функцияларни йўқотган турларда горизонтал йўл билан биргаликда тақсимланиш эҳтимоллигини оширади. Термофиль бактерияларнинг оперон тузилмаси бошқа бактерияларникидан фарқ қилади.
Бир хил метоболик йўлнинг генлари эубактерияларда оперонларга бирлашган бўлса, A. aeoliticus термофил бактериясида улар бутун геном бўйлаб тарқалган. Оперонлар электротранспорт занжири генларини, транспорт тизимини, гидрогеназа бирликларини, рибосомаларни ва бошқаларни бирлаштиради. M.jannaschii автотроф архебактериясида ҳам шунга ўхшаш ҳолат кузатилади. Ушбу микроорганизмлар кўп функцияли термоядровий оқсилларга эга, бу эҳтимол уларнинг ҳаддан ташқари термофиллиги туфайли бўлиши мумкин.
Илгари генларнинг оперон тузилмаси фақат прокариотларга хос деб тахмин қилинган. Бироқ, Caenorhabditis elegans нематодаси 14000 гендан иборат геноми (ўлчами 100 млн ж.н) нинг тахминан 25 % и полицистроник оперонлар (генлар орасидаги масофа кичик, тахминан 100 bp) таркибига киради.
Эукариотлар дунёси вакиллари (замбуруғлар, сувўтлар, содда организмлар, юксак ўсимликлар, ҳайвонлар) ядро цитоплазмадан тўлиқ ажралганлиги, ядро қобиғининг мавжудлиги, ядровий ДНК эса чизиқли шаклдаги хромосомада жойлашганлиги ва бошқа қатор хусусиятлари билан прокариотлардан фарқ қилади.
Эукариотлар бир ҳужайрали ва кўп ҳужайрали организмларга бўлинади. Турли таксонларда авлодлар алмашинуви жинссиз ва жинсий кўпайиш орқали амалга ошади.
Геномика нуқтаи назаридан Saccharomyces cerevisiae ачитқиси, Arabidopsis thaliana ўт ўсимлиги, Caenorhabditis elegans нематодаси, Drosophila melanogaster мева пашшаси, Oryza sativa - шоли, Mus musculus – уй сичқони, одам Homo sapiensларнинг геномлари чуқурроқ ўрганилган. Қуйида улар билан батафсил танишамиз.
Эукариот организмлар – юксак ўсимликлар ва ҳайвонлар хромосомаларининг кимёвий таркибида 40% ДНК, 40% гистон оқсиллари, 20% гистон бўлмаган оқсиллар, бироз РНК мавжуд. Бу моддалардан ташкил топган комплекс хроматидалардир. Улар хромосома шаклида намоён бўладилар. Гистон ишқор хусусиятига эга хромосома оқсиллари бўлиб, уларнинг таркибида аргинин ва лизин аминокислоталари кўп бўлади. Гистонларнинг бешта хили мавжуд: H1 (лизинга бой), H2а ва H2б (лизинга бой), H3 (аргининга бой), H4 (глицин ва аргининга бой). Гистон бўлмаган хромосома оқсиллари кислота хусусиятига эга бўлади. Бундай оқсилларнинг 100 дан ортиқ хиллари мавжуд. Улар жумласига қуйидагилар киради: хромосомалар ҳаракатини таъмин этувчи оқсиллар (актин, миозин,тубулин), ДНК ва РНК нинг синтезини таъмин этувчи ферментлар (полимеразалар), айрим генлар активлигини бошқарувчи оқсиллар.
Хромосомаларнинг молекуляр структураси. Эукариот организмлар хромосомаларидаги ҳар қайси ДНК молекуласи қўш занжири бир ёки бир неча сантиметр узунликда бўлади. ДНК молекуласининг диаметри 2 нм га тенг бўлади. Ҳаттоки энг ингичка хромосомаларнинг диаметри эса солиштириб бўлмайдиган даражада катта бўлиб 100-200 нм ни ташкил этади. Гистокимёвий, биокимёвий ва цитологик тадқиқотлар натижасида ДНКнинг хромосомаларда жойлашишининг молекуляр структураси ҳақида анчагина маълумотлар олинди, бир неча тахмин ва башорат шаклидаги баъзи фикрлар таклиф этилди. Уларнинг асосий мазмуни қуйидагилардан иборат. Хромосоманинг хроматидаларидаги ДНК молекулалари, гистон оқсилларидан ташкил топган қурилмалар, гистон бўлмаган оқсиллар иштирокида кўп марта спираллашиб, тахланиб, зичлантирилиб жойлаштирилган ҳолатда бўлади. Бу жараён оқибатида ДНКнинг спираллашиш даражасига қараб қуйидаги молекуляр структура қисмлари намоён бўлади.
1) ДНК нинг рамзий ўз ўқи атрофида спираллашиши;
2) ДНК нинг биринчи даражали суперспирали айрим нуклеосомалар шаклида амалга ошади. Нуклеосома ДНК молекуласи билан гистон оқсилларининг иштирокида ҳосил бўладиган комплекс қурилма ҳисобланади. Нуклеосоманинг ўзаги ДНК учун таянч функциясини бажаради. У саккиз молекула гистон оқсилларидан ташкил топган. Улар таркибида ҳар қайсисида иккитадан H2а, H2б, H3 ва H4 гистон молекулалари иштирок этган бўлади. Нуклеосоманинг оқсил ўзаги атрофида ДНК молекуласининг 140 га яқин нуклеотидлари спиралсимон бўлиб икки марта ўралиб жойлашган бўлади. Нуклеосоманинг эни 11 нм, баландлиги 5,5 нм га тенг.
3) ДНК нинг иккинчи даражадаги суперспирали юқорида баён этилганидек спиралсимон ўралган учта ДНК молекуласи ўралган нуклеосомалардан иборат нуклеопротеид комплекси тарзида намоён бўлади. Улар ҳам ўша ДНК молекуласи давоми билан ўзаро H1 гистон оқсили орқали уланган бўлади. Ушбу учта нуклеосомалар ёнма-ён жойлашиб иккинчи даража мураккаблигидаги суперспирални ҳосил қилади. ДНК нинг нуклеосомалар оралиғидаги қисми 30-100 жуфт суперспиралсиз нуклеотиддан иборат бўлиб, бу қисм H1 гистони билан боғланган бўлади.
4) Учта нуклеосомалардан иборат комплексларнинг тўрттаси спираллашиб, зич тахланиб ДНКнинг учинчи даражадаги суперспиралини ташкил этади. Бу даражадаги нуклеопротеид қурилмаси 12 та зич тахланиб жойлашган нуклеосомалардан иборат бўлади. Унинг эни 3.6 нм, бўйи 25 нм га тенг бўлади (73.1, 2-расмлар).
5) ДНК молекуласининг спираллашиб қисқариб бориши шу тартибда яна давом этади ва яна янги қатор суперспираллашган нуклеосомалар комплекслари ҳосил бўлади. Уларни бир - бири билан ДНК нинг 30-100 жуфт нуклеотидлардан ташкил топган қисми боғлаб туради. ДНКнинг бу қисми учун таянч вазифасини H1 гистон оқсили бажаради. ДНК нинг баён этилган ҳолатини олий даражадаги суперспираллашган ДНК дейилади.
H1 гистони билан нуклеосомалар яқинлашганда нуклеопротеид структуранинг конденсацияланиб суперспирализация қисқаради. Уларнинг атрофига гистон бўлмаган оқсиллар жойлашади. Бу жараёнлар натижасида хромосомалар ўзларининг одатдаги шаклига, кўпинча таёқча шаклига эга бўлади. Хромосомалар шундай ҳолатда ўзининг транспорт функциясини, яъни ўз таркибидаги ДНК да жойлашган генетик ахборотни янги ҳосил бўлаётган ҳужайраларга етказиш функциясини бажаришга тайёр бўлади. Ҳужайра митоз бўлиниш орқали кўпайса, ауторепродукция натижасида икки ҳисса кўпайган хромосомалар янги тана (соматик) ҳужайраларга тенг миқдорда тақсимланади. Агар ҳужайра мейоз бўлиниш натижасида кўпайса, хромосомалар жинсий ҳужайраларга икки ҳисса камайган (гаплоид) ҳолатда тақсимланади.
Ҳужайранинг митоз ва мейоз бўлиниб кўпайиши даврида хромосомалар ДНК сидаги генетик ахборот фаол бўлмаган ҳолатда бўлади. Ҳужайра циклининг митоз ёки мейоз жараёнига тайёргарлик қисми – интерфазада хромосомалар ДНК си функционал ҳолатда бўлади.

ДНК нинг хромосомада тахланиши.

Ҳужайра циклининг бу даврида ДНК нинг қуйидаги молекуляр генетик функцияси амалга ошади:

1) ДНК репликацияси – ҳар қайси ДНК молекуласининг икки ҳисса кўпайиш авторепродукцияси.
2) ДНК нинг битта нуклеотид занжири негизида пре-иРНК (транскрипция) ва иРНК нинг сплайсинг ва процессинг орқали синтезланиши. (Ушбу молекуляр генетик жараёнлар ҳақидаги мукаммал маълумот кейинги мавзуларда берилади).
Ҳужайра циклининг интерфаза даврида ДНК молекуласи функционал ҳолатга келсагина фаолият кўрсата олади. Бунинг учун ДНК молекуласи юқорида баён этилган барча суперспираллашган ҳолатдаги нуклеосомалардан ажралиб, деспирализация қилиниб, эркин, ёйилган ҳолатга келиши керак. Бунинг учун хромосома таркибидаги гистон бўлмаган оқсиллардан иборат баъзи ферментлар таъсирида нуклеосомалар таркибидаги гистонлар структураси ўзгаради ёки бутунлай парчаланиб юборилади.
Прокариот организмлар (бактерия ва бир ҳужайрали кўк-яшил сув ўтлари) да ҳамда баъзи ДНК га эга вируслардаги хромосомалар фақат айрим одатдаги яланғоч ДНК дан иборат. Уларда ДНК молекуласининг ҳар иккала учи туташиб ҳалқасимон ҳолатда бўлади. Уларнинг баъзиларида бу молекула узунчоқ шаклда бўлади. Улардаги ДНК эукариот организмлар хромосомалар ДНК сига нисбатан солиштириб бўлмайдиган даражада кичик ва улар оқсиллар билан нуклеосомалар ҳосил қилмайдилар. Шунинг учун ҳам уларни шартли равишда хромосомалар дейилади. Уларнинг узунлиги вирусларда 5-100 мк, бактерияларда 1000-2000 мк атрофида бўлади.
Эукариот организм ҳужайраларининг пластидалар, митохондриялар, кинетопласт каби органоидларидаги ДНК лар ҳам прокариотлардаги каби яланғоч, кўпинча ҳалқасимон ҳолатда бўлишлиги аниқланган.
Теломерлар- хромосомаларнинг охирги қисмлари, учлари. Улар хромосомаларнинг яхлитлигини ва бир бутунлигини таъминлайди, яъни хромосомалар узилган қисмлари билан уланиши мумкин, лекин ҳеч қачон теломера қисми билан уланмайди.
Теломердаги такрорлар: Хромосомалар бир-бири билан боғланишни бошлайдиган одам теломераларининг критик узунлиги 12,8 теломер такрорлардан иборат. Одам теломерлари ТТАГГГ нуклеотидлар кетма-кетлигидаги минглаб такрорлардан тузилган. Хромосоманинг 3¹ охири 5¹ охирига осилиб туради. Бу осилиш Ц-Г уотсон-крик жуфтлиги бўйича эмас, Г-Г жуфтлиги бўйича водород боғлар ёрдамида ўзини ўзи шакллантиради ва ортиқча рекомбинациядан сақловчи оқсиллар билан боғланади.
Теломерларнинг молекуляр –генетик ўрганилиши натижасида шу нарса аниқландики, ҳар қайси ҳужайрада уларнинг сони кўп эмаслигини, яъни ҳар бир хромосомада 2 таданлигини кўрсатди. Инфузорияларнинг макронуклеусларидаги политен хромосомалар теломераларнинг тузилиши батафсил ўрганилди. Кейинчалик политен хромосомалар минглаб бўлакларга бўлинади, бу бўлакларнинг ҳар бири ўзига хос оқсил қобиқ билан ўралиб, пуфакчаларни шакллантиради. Пуфакчалардан интронлар, генлараро участкалар ва регулятор элементлар чиқиб кетади. Ҳар бир пуфакча ўзида қандайдир конкрет бир генни олиб юради. Сўнгра пуфакчалар ёрилиб, макронуклеусга чиқади. Ҳар қайси геннинг охирлари биттадан теломерик кетма-кетликлар билан бирикади. Натижада миллионлаб теломерлардан макронуклеус пайдо бўлади.
Узоқ вақт давомида юксак эукариотлар геномини жуда кам қисми (5%) экспрессияланади деб келинган. Яъни бунга оқсиллар ва баъзи керак бўлган РНКлар кетма-кетлигини кодловчи қисмлар киради дейилган, лекин кейинги йиларда маълум бўлишича ҳайвонлар ҳужайрасида 79% дан ортиқ геном қисми транскрипция бўлар экан. Шу билан бирга кўп транскриптлар ДНКни иккала комплементар занжиридан транскрипцияланади ва баъзи шароитларда хроматиннинг компакт центромери ҳам транскрипцияланар экан.
Геномнинг бирламчи маҳсулоти РНК ҳисоблансада биологияни ривожланиши учун янги парадигма, яъни кодланмайдиган РНК регулятор функциясига эгалиги таклиф қилинмоқда (Mattick, 2007), ҳамда РНК кўп ҳужайрали организмлардаги барча онтогенезларга асосланган соматик ҳужайралардаги эпигенетик модификацияларни бошқаради.