29.13. Гены гистонов собраны вместе и повторяются тандемно много раз

Как организованы гены, кодирующие белки? Одними из первых были выделены и охарактеризованы гены гистонов благодаря изобилию гистоновой мРНК в быстро делящихся эмбрионах морского ежа. Эти морские беспозвоночные развиваются от стадии зиготы до стадии бластулы, содержащей 1000 клеток, за 10 ч. Поэтому для сборки нового хроматина необходимо синтезировать большое количество гистонов. Действительно, в период раннего эмбриогенеза гистоны составляют более четверти всего синтезированного белка. Гистоновая мРНК содержится в еще большем количестве - на ее долю приходится около 70% всех информационных РНК, синтезируемых на этой стадии, поэтому ее сравнительно легко выделить. После выделения гистоновой мРНК была исследована кинетика ее гибридизации с ДНК морского ежа для определения числа копий гистоновых генов. Скорость гибридизации была в несколько сот раз выше, чем она должна быть в случае уникальных последовательностей: это показывало, что для гистоновых генов характерна очень высокая повторяемость.

Рис. 29.23. Организация генов 5S-pPHK Xenopus laevis. Эти тандемно повторяющиеся гены также разделены нетранскрибируемыми спейсерами. Повторяющийся элемент имеет длину примерно 750 пар оснований.

Рис. 29.24. Световая микрофотография эмбриона морского ежа на стадии четырех клеток. (Печатается с любезного разрешения д-ра Annamma Spudich.)

Число копий гистоновых генов у различных видов морского ежа колеблется от 300 до 1000. У других организмов повторяемость ниже (табл. 29.4). Число копий гистоновых генов у того или иного организма, по-видимому, коррелирует с потребностью в быстром синтезе гистоновых мРНК.

Как организованы в геноме многократно повторяющиеся гены гистонов? Для получения фракции ДНК, обогащенной генами гистонов, использовали тот факт, что эти гены содержат больше пар чем большая часть ДНК морского ежа (42%), и, следовательно, имеют более высокую плавучую плотность. При

Таблица 29.4. (см. скан) Повторяемость гистоновых генов

Рис. 29.25. Карта сгруппированных в кластеры гистоновых генов морского ежа (Strongylocentrotus purpuratus) и плодовой мушки (Drosophila melanogaster). Кодирующие участки закрашены синим цветом, спейсеры (нетран-скрибируемые участки) - желтым. Стрелки показывают направление транскрипции.

расщеплении такой обогащенной ДНК одной из рестриктирующих эндонуклеаз получались фрагменты длиной которые гибридизовались с гистоновой мРНК. Затем эти фрагменты клонировали в клетках Е. coli и исследовали с помощью ферментов рестрикции и электронной микроскопии. Результаты исследований показали, что гены, кодирующие пять основных гистонов, сгруппированы вместе в составе основного повторяющегося элемента длиной (рис. 29.25). В этом повторяющемся элементе пять кодирующих участков чередуются с пятью спейсерами. Кодирующие последовательности не прерываются вставочными последовательностями в отличие от других эукариотических генов, описанных выше (разд. 26.12). Группа из пяти гистоновых, генов повторяется тандемно много раз. Повторы очень сходны друг с другом, но не идентичны. Это согласуется с тем, что гистоны представляют собой группы очень сходных белков, а не совершенно однородные полипептиды. В различных тканях и на разных стадиях развития экспрессируются различные гистоновые гены.

Какова функциональная роль такой организации генов? Их повторяемость, несомненно, имеет важное значение для быстрого синтеза большого количества гистоновой мРНК. Но причина, по которой повторы собраны тандемно вместе, не очень ясна. Соседство генов, кодирующих пять гистонов, может быть, играет важную роль в координации их синтеза, чтобы гистоны образовывались в эквимолярном количестве, а гистон в половинном.