кольцевая ДНК

[Тот]

Подскажите пожалуйста, кто знает, зачем кольцевой ДНК прокариотов понадобилось разрываться и приобретать линейную структуру эукариотов. В чем заключался эволюционный и практический смысл этого превращения? Чем более развернутым будет ответ, тем лучше. Заранее спасибо всем, кто откликнется.

[cheshira]

Ждём ваших гипотез и размышлений :whistle:

Поскольку "пролетели" во время регистрации - внимательно ознакомьтесь с п. 3 и п. 4 Правил данного форума ПЕН

[Тот]

Сам я, увы, не биолог, на эту тему вышел через интерес к механизмам старения. Если у прокариот отсутствует "лимит Хейфлика" именно из-за кольцевой ДНК, тогда зачем природе понадобилось ее разрывать и превращать в линейную хромосому? Это было сделано специально для возникновения механизма старения, или он- просто побочный эффект разрыва нуклеоида? И если уж на то пошло, почему одним организмам удается справляться с проблемой «концевой недорепликации», с помощью теломеразы, а другие вынуждены дряхлеть и погибать? В Инете, как ни странно, я не нашел ответов на свои вопросы. Буду очень благодарен специалистам за снисходительность и развернутый ответ по данной теме.

[cheshira]

Что-то вы всё в кучу свалили. Ей богу - я не понимаю вашего вопроса, хоть убейте :blink:

Переформулируйте "по пунктам" - станет куда проще

[beaver]

Лимит старения не связан с самой линейностью хромосомы. В любой клетке эукариот есть гены, кодирующие теломеразы, и потенциально они могут быть включены и достраивать теломеры до нужного размера. Лимит старения у многоклеточных связан с тем, что теломеразы в вегетативных клетках выключены или недостаточно экспрессируются. У протист они активны, и никакого предела Хейфлика нет.
У многих прокариот, кстати, хромосомы тоже линейные, но либо с петлями, либо с белковыми праймерами репликации на концах хромосом.

[cheshira]

По-моему - ТС о чём-то другом спрашивал

[Тот]

Спасибо, уже что-то. Как вы считаете, кольцевая ДНК является предшественницей линейной, или это эволюционно независимые формы существования ДНК? Если, на ваш взгляд, сама постановка вопроса некорректна, дайте пожалуйста развернутый ответ

[beaver]

Последний общий предок эукариот, очевидно, уже исходно имел линейные хромосомы и теломеразы.
Если считать, что последний всеобщий предок принадлежал к РНК-миру, то возможно, в разных линиях (археи, бактерии, эукариоты) и хромосомы тоже "изобретались" независимо. Если же они возникли все таки до разделения эукариот и архей, то кто ж его знает? 50:50.
У бактерий исходной была кольцевая РНК, а линейные в нескольких группах возникли независимо и с разными "решениями" проблемы голых концов.
Надеюсь, не соврал, а если и соврал, то не очень сильно.
PS Сейчас нашел гипотезу австрийского товарища Witzany о том, что в возникновении эукариот сильно поучаствовали вирусы, и именно от них пошли линейные хромосомы с теломерами и вирусные же теломеразы. Imho всё же более вероятно, что и теломеры, и теломеразы (=специализированные обратные транскриптазы) и у вирусов, и у эукариот остались от РНК-мира. Эукариоты сохранили множество других предположительно примитивных черт в организации генома от последнего общего предка. И наверняка сдохли бы, болезные, еще Проклятый знает когда, если бы вовремя не захватили прокариотических симбионтов.

[Тот]

Спасибо, очень интересно. Позвольте спросить вас еще: чем в принципе отличается кольцевая ДНК от линейной (помимо того, что при репликации у нее нет никаких проблем, решаемых у эукариот теломерами)? Насколько это более "примитивная" конструкция по сравнению с эукариотической хромосомой? И кстати: я встречал в Инете мнение, что клетки протист чуть ли не совершеннее клеток многоклеточных (поскольку в отличие от последних, обладают завидной многофункциональностью). Как вы относитесь к подобного рода утверждению? И еще (да простит меня глубокоуважаемая cheshira за то, что валю все в одну кучу, но очень уж заманчиво пораспросить нормального специалиста): как вы считаете, результатом чего является концевая недорепликация: это специально, нарочно и искусно придуманный механизм для каких-то эволюционных и прочих целей, или же это сбой, дефект, возникший по тем или иным (но тогда каким?) причинам.

[beaver]

Я в этой области НЕ специалист, а просто крайне интересующийся amateur; только сразу не доставайте кольт, ибо стараюсь играть как могу.
Значит, так. У линейных ДНК есть проблемы с репликацией - она начинается со специальных участков (репликонов, орижинов), которые узнаются комплексами инициации, начиная с этого участка, двунитевая ДНК "расплетается" хеликазой. На обоих однонитевых участках начинается репликация.
Но все полинуклеотид-полимеразы работают только в одном направлении, 3'-5' матричной цепи. Поэтому на одной из нитей (лидирующей цепи), репликация идет непрерывно, а на комплементарной ей "отстающей" цепи - небольшими кусками (фрагментами Оказаки), которые начинаются с РНК-затравки, которая синтезируется в репликационной вилке (точке расплетания).
Эта РНК-затравка не может синтезироваться на самом конце линейной хромосомы - т.к. там репликационной вилки уже нет, а торчат свободные концы одноцепочечных ДНК. Поэтому одна из вновь синтезированных нитей линейной ДНК в каждом цикле репликации укорачивается. А т.к. в клетке всегда есть ферменты, которые режут однонитевые участки ДНК, они укорачивают и вторую нить, которая реплицировалась нормально.
Как этого можно избежать?
1) Закольцевать на концах линейную хромосому, т.е. сделать на ее конце однонитевую петлю. Такая петля будет реплицироваться "нормально", но потом придется разделять реплицированные хромосомы, которые оказываются сцепленными концевыми петлями. Но это примерно та же проблема, что и при репликации кольцевой ДНК, и ферменты, которые способны это делать, существуют.
2) Посадить на концы хромосомы белковые комплексы, которые будут опознаваться как орижины.
3) После репликации достроить недостроенные концы специальными ферментами. Поскольку полинуклеотид-полимеразы этого сделать не могут, нужны другие ферменты, и теломеразы просто пришивают к 3' концу цепи стандартную последовательность (теломерные тандемные повторы). Через несколько репликаций (которые случились еще полтора миллиарда годков назад) на концевых участках линейных хромосом в обоих цепях оказываются (бессмысленные) теломерные повторы, и такая достройка теломер больше не приводит к потере информационных участков.
В линейных хромосомах прокариот реализуются варианты 1-2, а у эукариот и некоторых РНК-вирусов - вариант 3.
Т.е. "недорепликация" у эукариот легко преодолевается активностью теломераз, а "специально придуманный" механизм у многоклеточных эукариот - именно подавление активности теломераз - видимо служит своего рода "предохранителем" от неконтролируемого роста, когда другие механизмы остановки роста (контактные, гуморальные) почему-то не сработают.
В любом случае, многоклеточным пришлось бы что-то "изобретать", чтобы надежно ограничить способность своих клеток к неконтролируемому делению. Так что не сетуйте, что это оказались теломеры - не они, было бы что-нибудь другое.
И кольцевая ДНК, и "закольцованная" на концах линейная требуют дополнительных ферментов, чтобы "распутать" образующиеся после репликации копии. Поэтому, видимо, существует ограничение на их длину, которого нет у действительно линейных хромосом.
В принципе, кажется, что наиболее простым эволюционно был бы вариант 2, но почему-то он и возник довольно поздно, не реализовался у эукариот, и вообще остаётся редким. Возможно, потому что основные механизмы репликации ДНК конструировались на основе "технических решений", возникших еще на этапе РНК-мира.

Ах, да, и собственно ответ на вопрос

я встречал в Инете мнение, что клетки протист чуть ли не совершеннее клеток многоклеточных (поскольку в отличие от последних, обладают завидной многофункциональностью). Как вы относитесь к подобного рода утверждению?

Объективно, и прокариоты, и простейшие, и многоклеточные за свои миллиарды лет эволюции по разному, но совершенствовались. Не стоит думать, что прокариоты перестали эволюционировать после отделения от них эукариот, а одноклеточные эукариоты (простейшие) - после появления многоклеточных. Поэтому прокариоты и протисты заслуживают всяческого почтения, они ничуть не примитивнее многоклеточных. Просто их сложность соответствует требованиям их экологических условий, и касается биохимического и клеточного устройства, а у многоклеточных лежит на уровне многоклеточной организации.