Структурная и функциональная организация рибосомной ДНК человека

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования
«Московский педагогический государственный университет»

Н. С. Куприянова, А. П. Рысков

СТРУКТУРНАЯ  
И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ  
РИБОСОМНОЙ ДНК ЧЕЛОВЕКА

Монография

МПГУ 
Москва • 2018

УДК  577.215
ББК  21.041.10
 
К924

Рецензенты:

Г. В. Павлова, доктор биологических наук, профессор РАН (Институт биологии гена РАН)

А. А. Вергун, кандидат биологических наук, доцент (Московский педагогический государственный университет)

Куприянова, Наталья Сергеевна.

К924  
Структурная и функциональная организация рибосомной 
ДНК человека : монография / Н. С. Куприянова, А. П. Рысков. – 
Москва : МПГУ, 2018. – 64 с.
ISBN 978-5-4263-0667-7
Рибосома является одной из самых древних и важных органелл 
клетки, сохранившей общие черты организации у всех ныне живущих организмов. Гены, ответственные за синтез нуклеиновых кислот 
и белков, формирующих рибосому, а также гены, обслуживающие процесс работы этих генов, созревание продуктов транскрипции и переход зрелых продуктов в активное состояние, образуют крупнейший 
полигенный комплекс, от согласованной работы которого зависит 
жизнеспособность отдельных клеток и всего организма в целом. У человека тандемные кластеры рДНК локализованы на коротких плечах 
пяти акроцентрических хромосом. Они формируют так называемые 
ядрышковые организаторы – специфические участки хромосом, где 
в телофазе митоза формируются ядрышки. В монографии рассмотрены литературные и собственные данные, посвященные разным аспектам изучения структуры и функций рДНК, в частности регуляторным 
элементам транскрипции рРНК, внутрихромосомной, межхромосомной и эволюционной изменчивости и характеристике протяженных 
участков генома, соседствующих с кластерами рДНК в ядрышковых 
организаторах. Монография рассчитана на студентов, аспирантов 
и преподавателей биологических кафедр вузов, а также широкий круг 
ученых научных учреждений.
Работа поддержана грантом РФФИ № 16-04-00178.

УДК 577.215
ББК 21.041.10

ISBN 978-5-4263-0667-7 
©  МПГУ, 2018
 
©  Куприянова Н. С., Рысков А. П., 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.  Организация, локализация  
и количественная оценка содержания  
рибосомной ДНК в геноме человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.  Строение мономерных единиц рДНК. Орфоны  . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.  Консервативность и полиморфизм рДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.  Специфические особенности  
и возможные механизмы эволюции рДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.  Характеристика нуклеотидных последовательностей,  
дистальных и проксимальных относительно  
кластеров рДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6.  Регуляторные элементы транскрипции рДНК  . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.1.  Элементы кратковременной регуляции  
транскрипции рРНК  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .31
6.2.  Протеинкиназы в регуляции транскрипции рРНК  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .33
6.3.  Элементы долговременной регуляции  
транскрипции рРНК  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .34
6.4.  Некодирующие регуляторные РНК и их гены  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .38

7.  Наследуемость рДНК и ее статус  
при некоторых заболеваниях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

8.  Ядрышковые организаторы, рДНК  
и эпигенетическая регуляция генома  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

DSBs 
– 
двунитевые разрывы ДНК

Pol I 
– 
полимераза I

ТОРО I 
– 
топоизомераза I

ГХ 
– 
гетерохроматин

ДНК 
– 
дезоксирибонуклеиновая кислота

мкРНК 
– 
микро-РНК

мРНК 
– 
матричная РНК

п.н. 
– 
пара нуклеотидов

ПДРФ 
– 
полиморфизм длин рестриктных фрагментов

пРНК 
– 
промоторная РНК

ПЦР 
– 
полимеразная цепная реакция

рДНК 
– 
рибосомная ДНК

рДО 
– 
рибосомная дистальная область

рМГС 
– 
рибосомный межгенный спейсер

рмРНК 
– 
регуляторная малая РНК

РНК 
– 
рибонуклеиновая кислота

рРНК 
– 
рибосомная РНК

т.п.н. 
– 
тысяча пар нуклеотидов

ЯОР 
– 
ядрышковые организаторы

ВВЕДЕНИЕ

Клетки растут и делятся. Рост некоторых типов клеток (нейроны, 
ооциты) не инициирует процесса деления. Деление развивающихся 
зигот, напротив, не сопровождается ростом. Для подавляющего же 
большинства типов клеток эти процессы тесно сопряжены. Для роста 
клеток необходим синтез белков, а для синтеза белков необходимы 
рибосомы. Таким образом, контроль за ростом клеток неизбежно связан с контролем за образованием рибосом.
Рибосома является одной из самых древних и важных органелл 
клетки, сохранившей общие черты организации у всех ныне живущих 
организмов. Гены, ответственные за синтез нуклеиновых кислот и белков, формирующих рибосому, а также гены, обслуживающие их работу, 
созревание продуктов транскрипции и переход зрелых продуктов в активное состояние, образуют крупнейший полигенный комплекс, от согласованной работы которого зависит жизнеспособность отдельных 
клеток и всего организма в целом. Изучение механизмов регуляции 
синтеза рибосомных РНК значительно продвинулось за последнее время. В мире имеется ряд лабораторий, проявляющих к этой теме постоянный интерес и продвинувших ее развитие. В зарубежной литературе 
обсуждаемые в данной монографии проблемы наиболее полно рассмотрены в экспериментальных работах и обзорах Гонзалеса и соавт.  
[52, 54–56], Груммта и соавт. [59, 60, 93] и некоторых других авторов. 
В отечественной литературе обзоры по структуре и функциям рДНК 
эукариот были опубликованы Носиковым и Брагой [12], Куприяновой [5]. Экспериментальные работы по данной теме проводятся у нас 
в стране в Центре медицинского здоровья РАМН, в Институте биологии гена РАН, в Институте молекулярной биологии РАН им. В.А. Энгельгардта.

1. ОРГАНИЗАЦИЯ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ  
И КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА  
СОДЕРЖАНИЯ РИБОСОМНОЙ ДНК  
В ГЕНОМЕ ЧЕЛОВЕКА

В геноме высших организмов гены, кодирующие рибосомные РНК 
(рРНК), повторены многократно. Анализ имеющихся данных показывает, что количество повторяющихся элементов рибосомных ДНК 
(рДНК) резко различается у представителей разных классов эукариот. Диплоидный геном насекомых, птиц и млекопитающих содержит 
сравнительно небольшое число (200–500) повторов рДНК, и разброс 
значений этой величины минимален, тогда как для многих видов 
рыб, земноводных и растений характерно состояние полиплоидии, 
и в этом случае число генов рРНК не всегда коррелирует с размером генома. Например, от 240 повторов у линя (Tinca tinca) до почти 10 000 повторов у двоякодышащей рыбы рогозуба (Neoceratodus 
forsteri). Скорее всего, полиплоидное состояние, свойственное многим 
рыбам и земноводным, повышает возможности изменчивости генома 
и способствует ускорению процесса эволюции.
Точность определения числа повторов рДНК в геноме прямо зависит от точности используемого метода. В более ранних работах число 
повторов рДНК в геноме определяли методом насыщающей гибридизации нитроцеллюлозных фильтров, содержащих ядерную ДНК, 
с меченой рРНК известной удельной активности [150]. Число повторов рДНК у человека, определенное этим способом, составляет около 
400 единиц на диплоидный геном. Более точный метод, разработанный значительно позже [2], позволяет утверждать, что количество повторов рДНК в геноме человека может варьировать у различных индивидов от 390 до 580 копий в пересчете на диплоидное ядро.
Тандемная организация генов рРНК показана различными способами: возможностью их выделения при центрифугировании в градиенте плотности CsCl в виде дискретной фракции; непосредственным 
наблюдением процесса транскрипции рРНК в гаметогенезе некоторых организмов (петли хромосом «ламповые щетки») [87, 148]; характером расщепления рестриктазами, специфичным для тандемных 
повторов; фракционированием крупных фрагментов ДНК в условиях 

1. ОРГАНИЗАЦИЯ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА  
СОДЕРЖАНИЯ РИБОСОМНОЙ ДНК В ГЕНОМЕ ЧЕЛОВЕКА

7

электрофореза в пульсирующем поле [54, 153]. Хотя время от времени 
появлялись данные, противоречащие утверждению о непрерывности 
кластеров рДНК [90, 171], все они впоследствии опровергались, так что 
в настоящее время тандемную организацию основной, функционально активной части рДНК можно считать практически доказанной.
У человека тандемные кластеры рДНК локализованы на коротких плечах пяти акроцентрических хромосом (13, 14, 15, 21 и 22). 
Они формируют так называемые ядрышковые организаторы (ЯОР) – 
специфические участки хромосом, где в телофазе митоза формируются ядрышки. Во время митоза ядрышко исчезает, а ЯОР выглядит 
как вторичная, часто прителомерная перетяжка в конденсированных 
хромосомах. В телофазе существует корреляция между числом вновь 
образованных ядрышек и ЯОР, но в интерфазе число ядрышек уменьшается, так как они имеют тенденцию сливаться друг с другом [3, 119].
В то же время появилась тенденция использовать цитогенетический показатель – участие акроцентрических хромосом в ассоциациях – для диагностических и прогностических целей при острых 
заболеваниях, затрагивающих иммунную систему, и при развитии 
опухолей. Известно, что способность акроцентрических хромосом 
вступать в ассоциации так же, как интенсивность серебрения их ЯОР, 
отражает функциональное состояние ЯОР. Показана связь между этими параметрами [132]. При изучении тонкой структуры ядрышка методами FISH и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии 
показано, что кластеры рДНК занимают около 10% коротких плеч 
акроцентрических хромосом и надежно изолированы от других генов 
протяженными участками сателлитных последовательностей (порядка миллионов пар нуклеотидов (п.н.)) [79, 168], входящими в состав 
крупных блоков гетерохроматина. Сателлитные последовательности 
и рассеянные повторяющиеся элементы, из которых в основном формируется гетерохроматин, имеют тенденцию образовывать необычные трехмерные структуры, возможно, имеющие большое значение 
для организации ядрышка и эволюции генома [123, 167].
Использование методов FISH и лазерной микроскопии позволило также оценить реальное пространственное расположение отдельных компонентов, формирующих ядрышко. В частности, оказалось, 
что как центромеры, так и кластеры рДНК находятся на периферии 
ядрышка и пространственно сближены друг с другом. Этим может 
быть объяснена высокая частота рекомбинационных событий между 

КУПРИЯНОВА Н.С., РЫСКОВ А.П. СТРУКТУРНАЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ 
РИБОСОМНОЙ ДНК ЧЕЛОВЕКА

8

рДНК и прицентромерными альфоидными сателлитами акроцентрических хромосом [38, 79]. Далее, было показано, что у человека и других исследованных приматов участки хромосом, фланкирующие кластеры рДНК с 5′-концов, обладают не менее высокой эволюционной 
консервативностью, чем значащие участки рДНК на всех (ЯОР)+ хромосомах. Полученные результаты позволяют с большой долей вероятности предположить, что фланкирующие области играют важную роль 
в обеспечении консервативности и/или, напротив, контролируют изменчивость нуклеотидных последовательностей ЯОР [9, 56].

2. СТРОЕНИЕ  
МОНОМЕРНЫХ ЕДИНИЦ рДНК.  
ОРФОНЫ

Каждый повторяющийся элемент рДНК состоит из транскрибируемой области (рибосомного оперона) и рибосомного межгенного 
спейсера (рМГС) (рис. 1).

Рис. 1. Схема организации повторяющихся единиц рДНК  
у млекопитающих:

белыми прямоугольниками обозначены области рДНК, кодирующие 18S, 5.8S 
и 28S рРНК. Толстыми и тонкими черными линиями показаны транскрибируемые спейсеры и межгенный спейсер IGS (рМГС) соответственно. Стартовая точка транскрипции обозначена буквой t

В 
эукариотических 
клетках 
гены 
рРНК 
транскрибируются в ядрышке РНК-полимеразой I (Pol I) в виде большого (40–47S 
у разных организмов) предшественника рРНК (пре-рРНК). Молекула пре-рРНК содержит 5′-транскрибируемый спейсер (5′-BШТС); 
18S рРНК, левый внутренний транскрибируемый спейсер (ВТС1); 
5,8S рРНК; правый внутренний транскрибируемый спейсер (ВТС2); 
28S рРНК и 3′-транскрибируемый спейсер (3′-ВШТС). Зрелые продукты (28S, 18S и 5,8S рРНК) формируются в результате серии эндонуклеазных расщеплений пре-рРНК с последующим формированием 
зрелых концов молекул под действием специфических экзонуклеаз. В процессе эволюции происходит увеличение длины генов 18S 
и 28S рРНК и транскрибируемых спейсеров, однако общие принципы структурной организации транскрибируемой области остаются 
неизменными. 28S рДНК у млекопитающих примерно на 1,5 т.п.н. 
длиннее, чем 26S рДНК дрожжей, и представляет собой мозаику 
эволюционно консервативных и вариабельных областей. Инсерции 
и замены нуклеотидов в вариабельных областях фенотипически 
нейтральны. Внутривидовая вариабельность транскрибируемых 

КУПРИЯНОВА Н.С., РЫСКОВ А.П. СТРУКТУРНАЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ 
РИБОСОМНОЙ ДНК ЧЕЛОВЕКА

10

спейсеров приблизительно соответствует вариабельности 28S рДНК. 
Она охарактеризована для всех транскрибируемых спейсеров человека [57] и ВТС1 и ВТС2 высших приматов [52].
Помимо кластеров рДНК, в геноме имеются также орфоны, представляющие собой оторванные от кластеров отдельные рДНК-подобные элементы. Впервые существование орфонов показано для рДНК 
и генов гистонов дрозофилы с помощью блот-гибридизации продуктов расщепления геномной ДНК рестриктазами, не имеющими участков узнавания в пределах кластеров [39, 40, 111]. Существуют данные 
о рМГС-подобных участках длиной 240 п.н., образующих большие 
тандемные блоки, расположенные вне кластеров рДНК у Drosophila 
simulans [104]. Амплификация участков рМГС показана и у млекопитающих: в линии мышей BALB/c обнаружен 200-копийный тандемный 
повтор участка длиной 13,5 т.п.н., являющегося частью рМГС [8, 81].
На дистальном по отношению к кластеру рДНК участке хромосомы 22 человека также выявлено несколько внекластерных рДНК- 
подобных последовательностей: в их числе производные 28S рДНК 
и фрагменты, гомологичные рМГС [54]. В то же время на примыкающем к кластеру рДНК проксимальном участке хромосомы 22 человека 
гомологии с рДНК не было обнаружено [54, 145].
Отмечены случаи амплификации участков рМГС и возникновения 
в геноме новых мест локализации рДНК-подобных последовательностей в опухолевых клетках [42, 108]. Среди геномных клонов человека, 
шимпанзе и гориллы обнаружено четыре клона с «разорванной 18S 
рДНК» [13, 34]. Эти клоны представляют семейство псевдогенов малой рРНК, появившееся у общего эволюционного предшественника 
высших приматов. Особенности структуры и филогенетического распределения представителей семейства псевдогенов позволяют предположить, что они в большинстве случаев не взаимодействуют с генетически активными генами рРНК и поэтому, возможно, не входят 
в ядрышковую область. В то же время показана мозаичная структура 
псевдогена, несущего участки неповрежденной 18S рДНК у дрозофилы [26], что, по-видимому, указывает на обратимость мутаций и на то, 
что последовательности 18S псевдогенов могут восстанавливаться 
при взаимодействии с нормальными рибосомными генами.

3. КОНСЕРВАТИВНОСТЬ  
И ПОЛИМОРФИЗМ рДНК

Генетиков и молекулярных биологов давно интересует вопрос 
о механизмах поддержания структурной гомогенности мономеров 
рДНК. В настоящее время общепризнано, что тандемные повторы 
рДНК на пяти парах хромосом человека гомогенизируются путем рекомбинаций и генной конверсии. Однако включение этих механизмов может приводить к прямо противоположным результатам: как 
к коррекции новых вариантов последовательностей, так и к их распространению по всем индивидуальным кластерам среди гомологичных и негомологичных хромосом, а также при скрещивании различных популяций.
В течение ряда лет на различных объектах учеными предпринимались попытки выяснить, какой из механизмов является преобладающим в процессе гомогенизации – генная конверсия или неравный 
кроссинговер, а также какие обмены наиболее часты – внутрихроматидные, между сестринскими хроматидами, между гомологичными 
или между негомологичными хромосомами. При различных постановках опытов и для различных генных сегментов были получены 
противоречивые результаты. С одной стороны, имеются данные, подтверждающие существование межхромосомного обмена путем неравного кроссинговера, в результате чего возникает вариабельность длин 
спейсеров рДНК человека на негомологичных хромосомах [53, 83, 124, 
136], которая усиливается в поколениях [50, 84, 149, 151]. С другой стороны, существуют данные о внутрихромосомных обменах рДНК человека, приводящих к разбалансировке сцепления в ряду поколений 
[151], о семейном наследовании вариантов спейсеров по Менделю 
[50], наличии синтении в наследовании вариантов спейсеров рДНК 
человека [84].
Транскрибируемые области рДНК, как уже говорилось выше, разделены рМГС. Длина этих спейсеров заметно увеличивается при переходе от низших эукариот к высшим (у дрожжей длина рМГС составляет 
всего 10%, а у млекопитающих – до 70% общей длины повторяющейся 
единицы рДНК). Оказалось, что длина рМГС может варьировать у отдельных особей одного вида и даже внутри генома одной особи [5, 52,