Транскрипция гена. современные представления о гене

В 1988 г. в США по инициативе лауреата Нобелевской премии Джеймса Уотсона и в 1989 г. в России под руководством академика Александра Александровича Баева были начаты работы по реализации грандиозного мирового проекта «Геном человека». По масштабам финансирования этот проект сравним с космическими проектами. Целью первого этапа работы было определение полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека. Сотни ученых многих стран мира в течение 10 лет трудились над решением этой задачи. Все хромосомы были «поделены» между научными коллективами стран-участниц проекта. России для исследования достались третья, тринадцатая и девятнадцатая хромосомы.

Весной 2000 г. в канадском городе Ванкувере подвели итоги первого этапа. Было официально объявлено, что нуклеотидная последовательность всех хромосом человека расшифрована. Трудно переоценить значение этой работы, так как знание структуры генов человеческого организма позволяет понять механизмы их функционирования и, следовательно, определить влияние наследственности на формирование признаков и свойств организма, на здоровье и продолжительность жизни. В ходе исследований было обнаружено множество новых генов, чью роль в формировании организма в дальнейшем предстоит изучить более подробно. Изучение генов ведет к созданию принципиально новых средств диагностики и способов лечения наследственных заболеваний. Расшифровка последовательности ДНК человека имеет огромное практическое значение для определения генетической совместимости при 1 пересадке органов, для генетической дактилоскопии и генотипирования.

Но не только для биологии и медицины оказались важны полученные сведения. На основе знаний структуры генома человека можно реконструировать историю человеческого общества и эволюцию человека как биологического вида. Сравнение геномов разных видов организмов позволяет изучать происхождение и эволюцию жизни на Земле.

Что же представляет собой геном человека?

■ Геном человека . Вам уже известны понятия «ген» и «генотип». Термин «геном » впервые был введен немецким ботаником Гансом Винклером в 1920 г., который охарактеризовал его как совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организма. В отличие от генотипа, геном является характеристикой вида, а не отдельной | особи. Каждая гамета диплоидного организма, несущая гаплоидный набор хромосом, по сути, содержит геном, характерный для данного вида. Вспомните наследование признаков у гороха. Гены окраски семени, формы семени, окраски цветка есть у каждого растения, они являются обязательными для его существования и входят в геном данного вида. Но у любого растения гороха, как у всех диплоидных организмов, существует два аллеля каждого гена, расположенные в гомологичных хромосомах. У одного растения это могут быть одинаковые аллели, отвечающие за желтую окраску горошин, у другого - разные, обусловливающие желтую и зеленую, у третьего - оба аллеля будут определять развитие зеленой окраски семян, и так по всем признакам. Эти индивидуальные отличия являются характеристикой генотипа конкретной особи, а не генома. Итак, геном - это «список» генов, необходимых для нормального функционирования организма.

Расшифровка полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека позволила оценить общее число генов, составляющих геном. Оказалось, что их всего около 30-40 тыс., хотя точное число пока не известно. Раньше предполагали, что количество генов у человека раза в 3-4 больше около 100 тыс, поэтому данные результаты стали своего рода сенсацией. У каждого из нас генов всего в 5 раз больше, чем у дрожжей, и всего в 2 раза больше, чем у дрозофилы. По сравнению с другими организмами, мы имеем не так уж много генов. Может быть, существуют какие-то особенности в строении и функционировании нашего генома, которые позволяют человеку быть сложноорганизованным существом?

■ Строение гена эукариот. В среднем на один ген в хромосоме человека приходится около 50 тыс. нуклеотидов. Существуют очень короткие гены. Например, белок энкефалин, который синтезируется в нейронах головного мозга и влияет на формирование наших положительных эмоций, состоит всего из 5 аминокислот. Следовательно, ген, отвечающий за его синтез, содержит всего около двух десятков нуклеотидов. А самый длинный ген, кодирующий один из мышечных белков, состоит из 2,5 млн нуклеотидов.

В геноме человека, так же как и у других млекопитающих, участки ДНК, кодирующие белки, составляют менее 5% от всей длины хромосом. Остальную, большую часть ДНК раньше называли избыточной, но теперь стало ясно, что она выполняет очень важные регуляторные функции, определяя, в каких клетках и когда должны функционировать те или иные гены. У более просто организованных прокариотических организмов, геном которых представлен одной кольцевой молекулой ДНК, на кодирующую часть приходится до 90% от всего генома.

Все десятки тысяч генов не работают одновременно в каждой клетке многоклеточного организма, этого не требуется. Существующая специализация между клетками определяется избирательным функционированием определенных генов. Мышечной клетке не надо синтезировать кератин, а нервной - мышечные белки. Хотя надо отметить, что существует довольно большая группа генов, которые работают практически постоянно во всех клетках. Это гены, в которых закодирована информация о белках, необходимых для осуществления жизненно важных функций клетки, таких как редупликация, транскрипция, синтез АТФ и многие другие.

В соответствии с современными научными представлениями, ген эукариотических клеток, кодирующий определенный белок, всегда состоит из нескольких обязательных элементов. Как правило, в начале и в конце гена располагаются специальные регуляторные участки; они определяют, когда, при каких обстоятельствах и в каких тканях будет работать этот ген. Подобные регуляторные участки дополнительно могут находиться и вне гена, располагаясь достаточно далеко, но, тем не менее, активно участвуя в его управлении.

Кроме регуляторных зон существует структурная часть гена, которая собственно и содержит информацию о первичной структуре соответствующего белка. У большинства генов эукариот она существенно короче регуляторной зоны.

■ Взаимодействие генов . Необходимо отчетливо представлять себе, что работа одного гена не может осуществляться изолированно от всех остальных. Взаимовлияние генов многообразно, и в формировании большинства признаков организма обычно принимает участие не один и не два, а десятки разных генов, каждый из которых вносит свой определенный вклад в этот процесс.

По данным проекта «Геном человека», для нормального развития клетки гладкой мышечной ткани необходима слаженная работа 127 генов, а в формировании поперечно-полосатого мышечного волокна участвуют продукты 735 генов.

В качестве примера взаимодействия генов рассмотрим, как наследуется окраска цветка у некоторых растений. В клетках венчика душистого горошка синтезируется некое вещество, так называемый пропигмент, который под действием специального фермента может превратиться в антоциановый пигмент, вызывающий пурпурную окраску цветка. Значит, наличие окраски зависит от нормального функционирования по крайней мере двух генов, один из которых отвечает за синтез пропигмента, а другой - за синтез фермента. Нарушение в работе любого из этих генов приведет к нарушению синтеза пигмента и, как следствие, к отсутствию окраски; при этом венчик цветков будет белый.

Иногда встречается и противоположная ситуация, когда один ген влияет на развитие нескольких признаков и свойств организма. Такое явление называют плейотропией или множественным действием гена. Как правило, такое действие вызывают гены, функционирование которых очень важно на ранних стадиях онтогенеза. У человека подобным примером может служить ген, участвующий в формировании соединительной ткани. Нарушение в его работе приводит к развитию сразу нескольких симптомов: длинные «паучьи» пальцы, очень высокий рост из-за сильного удлинения конечностей, высокая подвижность суставов, нарушение структуры хрусталика и аневризма (выпячивание стенки) аорты.

■ Взаимодействие неаллельных генов. Известно несколько видов взаимодействия неаллельных генов.

Комплементарное взаимодействие. Явление взаимодействия нескольких неаллельных генов, приводящее к развитию нового проявления признака, отсутствующего у родителей, называют комплементарным взаимодействием. Пример наследования окраски цветка у душистого горошка, приведенный в §-3.14, относится как раз к этому типу взаимодействия генов. Доминантные аллели двух генов (А и В) каждый в отдельности не могут обеспечить синтез пигмента. Антоциановый пигмент, вызывающий пурпурную окраску цветка, начинает синтезироваться только в том случае, когда в генотипе присутствуют доминантные аллели обоих генов (А - В -).

Известным примером комплементарного взаимодействия является наследование формы гребня у кур. Существует четыре формы гребня, формирование которых определяется взаимодействием двух неаллельных генов - А и В. При наличии в генотипе доминантных аллелей только гена А (A_bb) образуется розовидный гребень, наличие доминантных аллелей второго гена В (ааВ_) обусловливает образование гороховидного гребня. Если в генотипе присутствуют доминантные аллели обоих генов (А_В_), образуется ореховидный гребень, а при отсутствии доминантных аллелей (aabb) развивается простой гребень.

Эпистаз . Взаимодействие неаллельных генов, при котором ген одной аллельной пары подавляет проявление гена другой аллельной пары, называют эпистазом. Гены, которые подавляют действие других генов, называют ингибиторами или супрессорами. Гены-ингибиторы могут быть как доминантными (I), так и рецессивными (i), поэтому различают доминантный и рецессивный эпистазы.

При доминантном эпистазе один доминантный ген (I) подавляет проявление другого неаллельного доминантного гена.

Возможны два варианта расщепления по фенотипу при доминантном эпистазе.

1.Гомозиготы по рецессивным аллелям (аа/7) фенотипически не отличаются от организмов, имеющих в своем генотипе доминантные аллели гена-ингибитора.

У тыквы окраска плода может быть желтой (А) и зеленой (а). Проявление этой окраски может быть подавлено доминантным геном-ингибитором (I), в результате чего сформируются белые плоды (А_I_; ааI_).

белая зеленая

F 2: 9/16 A_I_; 3/16 A_ii; 3/16 aaii

белые (12) желтые (3) зеленые (1)

В описанном и аналогичных случаях при расщеплении в F 2 по генотипу 9:3:3:1 расщепление по фенотипу соответствует 12:3:1.

2. Гомозиготы по рецессивным аллелям (aaii) не отличаются по фенотипу от организмов с генотипами А_I_ и ааI_.

У кукурузы структурный ген А определяет окраску зерна: пурпурная (А) или белая (а). При наличии доминантного аллеля гена-ингибитора (I) пигмент не синтезируется.

Р: AAII х aaii

белая белая

F 2:9/16 A_I_; 3/16 aaI_; 1/16 aaii 3/16A_ii

белые (13) пурпурные (3)

В F 2 у 9/16 растений (A_I_) пигмент не синтезируется, потому что в генотипе присутствует доминантный аллель гена-ингибитора (I). У 3/16 растений (ааI_) окраска зерна белая, так как в их генотипе нет доминантного аллеля А, отвечающего за синтез пигмента, и кроме того присутствует доминантный аллель гена-ингибитора. У 1/16 растений (ааii) зерна тоже белые, потому что в их генотипе нет доминантного аллеля А, отвечающего за синтез пурпурного пигмента. Только у 3/16 растений, имеющих генотип A_ii, формируются окрашенные (пурпурные) зерна, так как при наличии доминантного аллеля А в их генотипе отсутствует доминантный аллель гена-ингибитора.

В этом и других аналогичных примерах расщепление по фенотипу в F 2 13:3. (Обратите внимание, что по генотипу расщепление все равно остается прежним - 9:3:3:1, соответствующим расщеплению в дигибридном скрещивании.)

При рецессивном эпистазе рецессивный аллель гена-ингибитора в гомозиготном состоянии подавляет проявление неаллельного доминантного гена.

У льна ген В определяет пигментацию венчика: аллель В - голубой венчик, аллель b - розовый. Окраска развивается только при наличии в генотипе доманантного аллеля другого неаллельного гена – I. Присутствие в генотипе двух рецессивных аллелей ii приводит к формированию неокрашенного (белого) венчика.

розовый белый

F 2: 9/16 B_I_; 3/16 bbI_; 3/16B_ii; 1/16bbii

Голубые (9) розовые (3) белые (4)

При рецессивном эпистазе в этом и других аналогичных случаях в F 2 наблюдается расщепление по фенотипу 9:3:4.

■ Полимерное действие генов (полимерия). Ещё одним вариантом взаимодействия неаллельных генов является полимерия. При таком взаимодействии степень выраженности признака зависит от числа доминантных аллелей этих генов в генотипе: чем больше в сумме доминантных аллелей, тем сильнее выражен признак. Примером такого полимерного взаимодействия является наследование окраски зёрен у пшеницы. Растения с генотипом А 1 А 1 А 2 А 2 имеют тёмно-красные зёрна, растения а 1 а 1 а 2 а 2 - белые зёрна, а растения с одним, двумя или тремя доминантными аллелями – разную степень окраски: от розовой до красной. Такую полимерию называют накопительной или кумулятивной .

Однако существуют варианты и некумулятивной полимерии. Например, наследование формы стручка у пастушьей сумки определяется двумя неаллельными генами – А 1 и А 2 . При наличии в генотипе хотя бы одного доминантного аллеля формируется треугольная форма стручка, при отсутствии доминантных аллелей (а 1 а 1 а 2 а 2) стручок имеет овальную форму. В этом случае расщепление во втором поколении по фенотипу будет 15:1.

Р:а 1 а 1 а 2 а 2 х а 1 а 1 а 2 а 2

треугол. форма овал.форма

F 1:А 1 а 1 А 2 а 2

треугол. форма

F 2:9/16А 1 _А 2 _; 3/16А 1 _а 2 а 2 ; 3/16а 1 а 1 А 2 _; 1/16а 1 а 1 а 2 а 2

треугол. треугол. треуголовал.

форма (9) форма (3) форма (3) форма (1)

треугол. овал

форма (15/16) форма (1/16)

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ОБ ОРГАНИЗАЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИИ
ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
Лектор
Зав.курсом мед.генетики ГОУ ВПО СОГМА Росздрава
Доцент Гетоева Залина Казбековна

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Геном и геномика: определение понятий.
2. Организация генома человека:
- ДНК, как носитель генетической информации: строение, свойства,
принципы кодирования, репликации, мутирования, репарации и
компактизации в клетке;
- ген: представления об организации и функционировании;
- этапы реализации генетической информации;
- многообразие и классификация генов человека;
- принципы формирования хромосомы, морфология хромосом, кариотип;
- механизмы постоянства числа хромосом и равномерность передачи
генетической информации при делении клеток и размножении
организмов.
3. Общая характеристика генома человека.
- размеры, состав и топография элементов генома;
- сранительная характеристика ядерного и митохондриального геномов
- многообразие нуклеотидных последовательностей.

Вопрос 1
Геном и геномика:
определение понятий.

По мере накопления научных сведений о природе генетической информации, менялось как само определение понятия «геном», так и

представления о принципах его организации и
функционирования у различных биологических объектов.
ГЕНОМ
- это полный набор генетической информации любой биологической
системы (таксона, вида, организма, клетки);
- это качественный набор генов, содержащихся в гаплоидном наборе
хромосом клеток определенного биологического вида;
- это вся совокупность нуклеотидных последовательностей клетки
определенного биологического вида;
- это полный состав ДНК организма (его клетки), включая всю
совокупность генов и межгенных участков, содержащий полный набор
инструкций для формирования и функционирования организма на
всех стадиях его онтогенеза.

Понятия «ГЕНОМ» и «ДНК» тождественны, т.е.
ГЕНОМ = ДНК

Геномика
– это система научных знаний в области
молекулярной генетики и молекулярной медицины,
изучающая общие закономерности организации и
функционирования геномов различных биологических
систем и индивидуальные особенности геномов
отдельных организмов.
Основные методы геномики:
секвенирование, картирование и идентификация
генов и внегенных элементов генома.

Геномика
включает несколько самостоятельных направлений изучения геномов:
-
Структурная геномика - изучает последовательность нуклеотидов в
-
Функциональная геномика, или Протеомика, исследует
-
Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации
-
Эволюционная геномика выясняет пути эволюции геномов,
-
Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и
геноме, определяет границы и тонкую структуру генов, межгенных участков и
других структурных элементов генома, т.е. составляет физические и
транскриптные карты организма;
фенотипические проявления каждого участка генома и каждого гена, их
взаимодействие с другими компонентами клетки (полипептидами, протеинами,
сложными белками и белковыми ансамблями);
геномов разных организмов с целью изучения общих закономерностей их
строения и функционирования;
происхождение генетического и биологическогоразнообразия, уточняет нюансы
расообразования, этногенеза, миграции населения и эволюции наследственной
патологии человека;
профилактической медицины на основе знаний геномов человека и патогенных
для него организмов – вопросы генодиагностики, генотерапии и т.д.

ГЕНОМИКА ЧЕЛОВЕКА
изучает геном человека на всех уровнях его организации:
от компонентов нуклеотида, нуклеотидов, кодонов,
частей гена, отдельных генов, межгенных и регуляторных
последовательностей до сложных комплексов генов,
локусов и плеч хромосом, хромосом и целых
хромосомных наборов, включая так же элементы
внехромосомной и внеядерной ДНК.

Вопрос №2
Организация генома человека.
ДНК, как носитель генетической информации: строение,
свойства, принципы кодирования, репликации,
мутирования, репарации, реализации и компактизации
генетической информации.

ДНК – носитель генетической информации
у большинства живых организмов и человека,
может существовать в нескольких формах: А, В, С, Д, Е, Z.
Z-форма: зигзагообразная, с
чередованием право- и левозакрученных
участков, обнаруживается в условиях
высокой концентрации солей, участвует в
регуляции экспрессии генов и рекомбинации
ДНК.
А-форма выявляется в более
обезвоженных средах
и при низком содержании
ионов калия и натрия

Модель Дж. Уотсона – Ф. Крика, 1953г.:
В - форма молекулы ДНК имеет вид правозакрученной спирали,
состоящей из 2-х закрученных вокруг воображаемой центральной оси
полинуклеотидных цепей, соединенных между собой по принципам:
комплементарности и антипараллельности.

В состав ДНК входят 4 вида нуклеотидов дезоксирибонуклеотидов:
Адениловый, Тимидиновый, Цитозиновый, Гуаниновый
Дезоксирибонуклеотид:
- остаток фосфорной кислоты,
- 5-ти углеродный сахар
(2-дезоксирибозу),
- азотистое основание
Азотистые основания:
Пуриновые – Аденин, Гуанин
Пиримидиновые – Тимин, Цитозин
Нуклеозид:
соединение азотистого основания
с дезоксирибозой

Порядок формирования полинуклеотидной цепи
Фермент – ДНК-полимераза
Связь – фосфо-ди-эфирная
или 5 – 3 связь
Полинуклеотидная цепь – полярна:
5 - фосфатный конец
3 – гидроксильный конец
Полинуклеотидная цепь - сахарофосфатный
остов, на котором сидят азотистые основания,
число, состав и порядок расположения
которых уникален для каждой молекулы

Порядок формирования молекулы ДНК
Состав:
2 полинуклеотидные цепи
Принципы:
Комплементарности – формирование
пурин-пиримидиновых пар между
строго определенными нуклеотидами
или их аналогами - А-Т, А-У, Г-Ц.
Антипараллельности –
противоположное направление 3-5
связей в комплементарных цепях.
Связи:
водородные - пурин-пиримидиновые
пары А=Т, Г=Ц,
гидрофобные взаимодействия
Спирализация:
самопроизвольная, право закрученная
за счет смещения одной пары
нуклеотидов относительно следующей
на 36 о

Параметры молекулы ДНК

Свойства молекулы ДНК
как вещества наследственности и изменчивости
а. Хранит генетическую информацию, используя для этого язык в виде
последовательности нуклеотидов – генетической код.
б. Способна к самоудвоению – репликации.
в. Способна изменяться самопроизвольно или под действием
факторов внутренней среды организма и окружающей среды.
г. Способна к репарации – исправлению части возникающих изменений
и восстановлению целостности структуры.
д. Способна изменять степень своей компактизации, или спирализации.
е. Служит матрицей в процессах реализации генетической
информации.
ж. Обеспечивает передачу генетической информации в процессе
клеточного деления и размножения организмов.

а. Кодирование генетической информации
Генетическая информация это информация о последовательности аминокислот
в молекулах пептидов, полипептидов и белков организма.
Генетический код –
это система записи генетической информации
на молекуле ДНК в виде последовательности нуклеотидов.
Сущность генетического кода была полностью раскрыта группой
молекулярных биологов под руководством профессора Георгия
Гамова в лаборатории Ниренберга
(США, Национальный институт здоровья, 1965 г.)

Свойства генетического кода.
Триплетность:
минимально информативной является последовательность
из 3-х следующих друг за другом нуклеотидов:
триплетов ДНК (или кодонов иРНК).
Код включает 64 триплета (или кодона иРНК).
Однозначность, или специфичность:
триплет имеет только один биологический смысл.
3 – некодирующие
выполняют функцию точек окончания информации,
называются также стоп-триплетами, или триплетами терминации:
АТТ (УАА), АТЦ (УАГ), АЦТ (УГА)
61 – кодирующие
выполняют функцию кодирования 20 аминокислот.
1 триплет = 1 аминокислота
Уникальные триплеты - в единственном числе кодируют
аминокислоты и одновременно являющиеся стартовыми триплетами,
т.е. запускающими синтез белка.
ТАЦ (АУГ) - метионин и АЦЦ (УГГ) - триптофан

Свойства генетического кода
Вырожденность:
большинство аминокислот кодируется 2 и большим числом триплетов
ДНК, или кодонов иРНК, называемых триплетами (кодонами)синонимами, различающимися между собой составом третьего, реже –
первого нуклеотида.
Фенилаланин:
Глицин:
Лейцин:
ААА (УУУ)
ЦЦА (ГГУ)
ААТ (УУА)
ААГ (УУЦ)
ЦЦГ (ГГЦ)
ААЦ (УУГ)
ЦЦТ (ГГА)
ГАА (ЦУУ)
ЦЦЦ (ГГГ)
ГАГ (ЦУЦ)
ГАТ (ЦУА)
ГАЦ (ЦУГ)
Универсальность:
у всех живых организмов на Земле одни и те же триплеты ДНК
кодируют одинаковые аминокислоты.
Исключения имеются в коде митохондрий.

Свойства генетического кода.
Непрерывность:
начиная с первого нуклеотида в составе стартового триплета все
последующие триплеты считываются без остановок до точки
терминации.
Неперекрываемость:
триплеты считываются последовательно и каждый нуклеотид
может входить в состав только одного триплета.
Колинеарность:
последовательность аминокислот в белке или полипептиде строго
соответствует последовательности триплетов нуклеотидов в
кодирующем этот пептид фрагменте ДНК.

Таблица генетического кода для ДНК и иРНК

Первое
основание ДНК
(иРНК)
А (У)
Г (Ц)
Т (А)
Ц (Г)
Второе основание ДНК (иРНК)
А (У)
Г (Ц)
Т (А)
Ц (Г)
Третье
основание ДНК
(иРНК)
ААА (УУУ) Фен
АГА (УЦУ) Сер
АТА (УАУ) Тир
АЦА (УГУ) Цис
А (У)
ААГ (УУЦ) Фен
АГГ (УЦЦ) Сер
АТГ (УАЦ) Тир
АЦГ (УГЦ) Цис
Г (Ц)
ААТ (УУА) Лей
АГТ (УЦА) Сер
АТТ (УАА) Стоп
АЦТ (УГА) Стоп
Т (А)
ААЦ (УУГ) Лей
АГЦ (УЦГ) Сер
АТЦ (УАГ) Стоп
АЦЦ (УГГ) Трп
Ц (Г)
ГАА (ЦУУ) Лей
ГГА (ЦЦУ) Про
ГТА (ЦАУ) Гис
ГЦА (ЦГУ) Арг
А (У)
ГАГ(ЦУЦ) Лей
ГГГ (ЦЦЦ) Про
ГТГ (ЦАЦ) Гис
ГЦГ (ЦГЦ) Арг
Г (Ц)
ГАТ (ЦУА) Лей
ГГТ (ЦЦА) Про
ГТТ (ЦАА) Глн
ГЦТ (ЦГА) Арг
Т (А)
ГАЦ (ЦУГ) Лей
ГГЦ (ЦЦГ) Про
ГТЦ (ЦАГ) Глн
ГЦЦ (ЦГГ) Арг
Ц (Г)
ТАА (АУУ) Иле
ТГА (АЦУ) Тре
ТТА (ААУ) Асн
ТЦА (АГУ) Сер
А (У)
ТАГ (АУЦ) Иле
ТГГ (АЦЦ) Тре
ТТГ (ААС) Асн
ТЦГ (АГЦ) Сер
Г (Ц)
ТАТ (АУА) Иле
ТГТ (АЦА) Тре
ТТТ (ААА) Лиз
ТЦТ (АГА) Арг
Т (А)
ТАЦ (АУГ) Мет
ТГЦ (АЦГ) Тре
ТТЦ (ААГ) Лиз
ТЦЦ (АГГ) Арг
Ц (Г)
ЦАА (ГУУ) Вал
ЦГА (ГЦУ) Ала
ЦТА (ГАУ) Асп
ЦЦА (ГГУ) Гли
А (У)
ЦАГ (ГУЦ) Вал
ЦГГ (ГЦЦ) Ала
ЦТГ (ГАЦ) Асп
ЦЦГ (ГГЦ) Гли
Г (Ц)
ЦАТ (ГУА) Вал
ЦГТ (ГЦА) Ала
ЦТТ (ГАА) Глу
ЦЦТ (ГГА) Гли
Т (А)
ЦАЦ (ГУГ) Вал
ЦГЦ (ГЦГ) Ала
ЦТЦ (ГАГ) Глу
ЦЦЦ (ГГГ) Гли
Ц (Г)

б. Репликация, или редупликация ДНК: процесс самоудвоения молекулы ДНК, который осуществляется в синтетическом периоде

интерфазы митотического (клеточного) цикла
при участиии специальных ферментов.
по полуконсервативному механизму
на основе реакций матричного синтеза,
когда каждая из цепей материнской молекулы ДНК
служит матрицей для сборки новой (дочерней) цепи.
Из одной молекулы ДНК образуются две идентичные молекулы,
каждая из которых содержит
старую (материнскую) и новую (дочернюю) цепи.
Количество ДНК в клетке удваивается,
а качество заключенной в ней информации не меняется.

Этапы репликации ДНК

1.
2.
3.
4.
5.
Раскручивание супервитков молекулы ДНК (фермент
топоизомераза).
Разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми
основаниями, разделение цепей и формирование репликативной
вилки (фермент – геликаза);
Удержание молекулы ДНК в одноцепочечном состоянии (ДНКдестабилизирующие белки - SSB);
Сборка новых цепей на матрицах материнских (ферменты – РНКполимеразы или праймазы, ДНК-полимеразы I, II и III):
- непрерывно на матрице лидирующей материнской цепи с
направлением фосфодиэфирных связей от 3 к 5 концу с
использованием одной РНК-затравки, или праймера, и ферментов
РНК-полимеразы и ДНК – полимеразы I.
- фрагментарно на матрице отстающей материнской цепи с
направлением фосфодиэфирных связей от 5 к 3 концу в виде
относительно коротких участков длиной 1000-2000 нуклеотидов –
фрагментов Оказаки, с использованием для каждого фрагмента
собственной РНК-затравки, РНК-полимераз, ДНК-полимеразы II
Деградация и удаление РНК-затравок и сшивание фрагментов
Оказаки между собой (ДНК-полимераза I, ДНК-лигаза).

Схема репликации ДНК

1. Относительно низкая скорость репликации. 2. Каждая молекула ДНК имеет несколько мест репликации – репликонов, т.е.

Особенности репликации ДНК у человека:
1. Относительно низкая скорость репликации.
2. Каждая молекула ДНК имеет несколько мест репликации
– репликонов, т.е. полирепликонна.
3. Реплиация каждой молекулы ДНК происходит до тех
пор, пока соседние репликоны не соединятся.
4. Разные молекулы ДНК реплицируются в разное время, с
разной скоростью и в разной последовательности.
5. К концу S-периода вся ДНК клетки должна удвоиться.

в. Способность ДНК изменяться, или мутировать

Изменчивость – неотъемлемое свойство живых организмов.
Изменения, происходящие на уровня ДНК, условно принято
делить на: полиморфизмы, вариации, предмутации и мутации.
Полиморфизмы – изменения, происходящие на уровне
некодирующих последовательностей ДНК.
Вариации - изменения, происходящие на уровне
факультативных последовательностей ДНК.
Предмутации – изменения, происходящие на уровне
кодирующих последовательностей ДНК, но затрагивающие лишь одну из ее
цепей.
Мутации (истинные) – это изменения генетической информации,
затрагивающие обе цепи ДНК, приводящие к появлению новых вариантов
генов (аллелей) и новых вариантов фенотипических признаков.

Изменения в ДНК возникают при нарушении процессов репликации,
рекомбинации и репарации, т.е. являются ошибками репликации, ошибками
рекомбинации и ошибками репарации.
Изменения в ДНК могут возникать спонтанно (т.е. на фоне
относительно нормального функционирования организма при нормальных
условиях внешней и внутренней среды) или индуцированно (т.е. под
действием вредных мутагенных факторов внешней или внутренней среды).
Мутагенные факторы могут иметь физическую, химическую или
биологическую природу.
Эффект мутагенов, риск и частота возникновения мутаций зависят не
только от вида мутагена, его мутагенной активности, дозы и продолжительности
воздействия, но и от эффективности работы генетически детерминированной
системы детоксикации организма.
Возникающие в ДНК изменения могут носить преходящий характер и
восстанавливаться, либо быть стойкими.
Изменения генетической информации - основа генетического
полиморфизма вида, генетической уникальности индивида, наследственной
патологии, наследственной предрасположенности, канцерогенеза и
некоторых иных форм патологии человека.

г. Репарация способность ДНК восстанавливать структуру.
Репарации подлежат состояния молекулярной гетерозиготности,
или предмутации, при которых изменения затрагивают лишь одну из
цепей молекулы ДНК.
Различают несколько основных механизмов репарации ДНК:
1. Фотореактивация.
2. Темновая, или эксцизионная репарация.
3. Пострепликативная (рекомбинационная) репарация.
4. SOS – репарация.

Фотореактивация – восстановление под действием видимого
света изменений типа тиминовых димеров (Т=Т), возникающих в ДНК клеток,
подвергнутых УФ-излучению.; обеспечивается светозависимым
фотореактивирующим ферментом, который расщепляет тиминовые
димеры.
Темновая, или эксцизионная репарация – не нуждается
в энергии видимого света, осуществляется за счет действия ферментов
(эндонуклеаза, экзонуклеаза, или рестриктаза, ДНК-полимераза,
лигаза), поэтапно: выстригание измененного участка цепи, синтез фрагмента
на матрице нормальной цепи, сшивание восстановленного фрагмента с
остальной цепью.
Пострепликационная, или рекомбинационная репарация –
осуществляется в синтетическом периоде интерфазы митотического цикла
клетки и заключается в том, что участки ДНК, имеющие тиминовые димеры не
реплицируются, оставляя бреши на комплементарной цепи молекуля ДНК,
которые восстанавливаются (т.е. достраиваются) в ходе премитотического
периода с соблюдением принципов комплементарности к участку здоровой цепи.
SOS-репарация - механизм восстановления крупных брешей в цепи
ДНК без соблюдения принципа комплементарности в целях сохранения
целостности молекулы.

Схемы механизмов репарации

д. Способность ДНК изменять степень своей
компактизации
В зависимости от степени компактизации, или спирализации,
на разных фазах митотического цикла клетки ДНК приобретает
разные переходящие друг в друга формы структурной организации:
на стадии интерфазы – хроматиновую, а стадии митоза - хромосомную.
Хроматин – дезоксирибонуклеопротеидный комплекс, в составе
которого ДНК относительно деспирализована, доступна для ферментов,
обеспечивающих считывание заключенной в ней информации.
Хромосомы – дезоксирибонуклеопротеидные структуры, в составе
которых ДНК максимально спирализована и компактна, что обеспечивает
возможность ее равномерного распределения между дочерними клетками.
ИНТЕРФАЗА
ХРОМАТИН
МИТОЗ
ХРОМОСОМЫ

Уровни компактизации ДНК в составе хроматина
Эухроматин Гетерохроматин
Факультативный
1 уровень
нуклеосомный
2 уровень
соленоид, или
хроматиновая
фибрилла
3 уровень
петельные
домены
Конститутивный

Компоненты нуклеосомы

Формирование митотической хромосомы

Строение митотической (метафазной) хромосомы.
Каждая молекула ДНК формирует свою хромосому.
Митотическая хромосома состоит из 2-х хроматид.
Каждая хроматида – 1 молекула ДНК.
Хроматиды 1 хромосомы – 2 идентичные молекулы ДНК, образовавшиеся в
результате репликации.
Число хромосом в клетке равно числу молекул ДНК в ней.
Разные хромосомы различаются по форме, длине,
количеству, набору и порядку расположения генов.

Кариотип – это совокупность
хромосом клеток определенного биологического вида
Кариотипы разных биологических видов различаются числом, формой и
размерами хромосом.
Хромосомный набор вида Homo sapiens содержит 23 пары хромосом.
В соматических клетках человека хромосомный набор
парный (диплоидный – 2n), в половых – одинарный (гаплоидный - n).
Хромосомы одной пары одинаковы по размерам, форме, набору и порядку
расположения генов, называются гомологичными, а не идентичными,
поскольку имеют разное происхождение (1 – отцовская, 2 - материнская), а
следовательно – разный набор аллелей генов.
Гомозиготность
Гетерозиготность
Кариотип – характеристика видовая, поддерживается постоянным в ряду
поколений клеток и организмов благодаря механизмам митоза, мейоза и
оплодотворения (при половом размножении).

Хромосомный набор человека
Классификации хромосом:
Денвер (США) – 1960г.
Лондон (Великобритания) – 1963г.
Чикаго (США) – 1966г.
Группа А: 1– 3 пары аутосом
самые большие мета- и субметацентрики
Группа В: 4 - 5 пары аутосом
большие субметацентрики
Группа С: 6-12 пары аутосом+ Х-хромосома
средние субметацентрики
Группа D: 13-15 пары аутосом
большие акроцентрики
Группа Е: 16-18 пары аутосом
малые субметацентрики
Группа F:19-20 пары аутосом
малые метацентрики
Группа G: 21-22 пары аутосом + У-хромосома:
малые акроцентрики

ж. Способность обеспечивать равномерность
передачи генетической информации
в процессах клеточного деления и размножения организмов
Конъюгация
гомологичных хромосом образование бивалентов
Хромосомы
располагаются
по-отдельности
Расходятся
хроматиды
Вдоль веретена деления
располагаются
биваленты
Расходятся целые
гомологичные хромосомы
Образуются незрелые
половые клетки с n числом
2-хроматидных хромосом
Происходит II деление –
митоз

е. Способность ДНК служить матрицей в процессах
реализации генетической информации.
Реализация генетической информации - это сложный неоднозначный
процесс, в осуществлении которого принимают участие:
фрагменты молекулы ДНК – гены (гены белков, гены рРНК, гены тРНК),
источники энергии (АТФ, ГТФ),
предшественники рибонуклеотидов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ),
рибосомы, разнообразные тРНК,
многочисленные ферменты, специфические факторы контроля и регуляции,
аминокислоты, витамины, ионы металлов и т.д.
Фрагмент спирали ДНК
Рибосома
Аминоацил-тРНК
комплекс

ГЕН:
представления о организации и функционировании

Единицей генетической информации является
ген.
Ген – это участок молекулы ДНК, представляющий собой
определенную последовательность определенного числа нуклеотидов,
которая содержит информацию о возможности формирования
определенного признака и определенной функции в организме или
обеспечивает возможность реализации информации с другого гена.
Ген – это определенная (прерывистая или непрерывная)
последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая информацию об
определенном продукте (полипептиде, рРНК, тРНК), ассоциированная с
регуляторными последовательностями, взаимодействующая с белкамирегуляторами и обеспечивающая возможность формирования признака в
организме.

Организация гена у эукариот
(5 – 3 кодогенная цепь ДНК)
- Большинство генов человека имеет интрон-экзонную структуру.
- Каждый ген имеет определенное количество интронов и экзонов.
- Количество и размеры интронов и экзонов у разных генов различны.
- Суммарные размеры интронов значительно превышают размеры экзонов.
- Каждый ген начинается и заканчивается экзонами.
- На границе экзонов и интронов располагается консенсусная, т.е.
эволюционно консервативная последовательность, которая
распознается ферментами сплайсинга, осуществляющими вырезание
интронов из первичного РНК-транскрипта.

Этапы реализации генетической информации,
или экспрессия гена

Процесс реализации генетической информации, или экспрессия гена
осуществляется в несколько этапов,
часть из которых происходит в ядре, а часть – в цитоплазме:
В ядре:
Транскрипция
Инициация
Элонгация
Терминация
Посттранскрипционный
процессинг
Сплайсинг
Транспорт иРНК из ядра в цитоплазму
В цитоплазме:
Трансляция
Инициация
Элонгация
Терминация
Посттрансляционные
преобразования

Структура гена β-глобина человека и его экспрессия

Молекула β-глобина человека
Первичная структура - последовательность из 146 аминокислот.

Многообразие и классификация
генов человека

По данным программы «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»
в геноме человека насчитыаается чуть более
30 000 генов.

Классификация
1. По структуре:
Содержащие интроны
2. По размерам:
Малые Средние
100 – 5000
5000 – 50 000
Не содержащие интронов
Большие
Гигантские
50 000-150 000
200 000 – 1 000 000
пар нуклеотидов
3. По локализации в хромосоме:
Одиночные
разделены спейсерами
генов человека
Супергигантсткие
более 1 000 000
Сгруппированные
кластеры
(группа последовательно расположенных генов,
занимающих определенный район ДНК или хромосомы,
кластер α-глобиновых и β-глобиновых генов)
супергены
(кластер из большого числа генов, кодирующих
функционально или родственно-связанные белки,
расположенные в сегментах некоторых хромосом,
суперген HLA комплекса)
семейства генов
(группа эволюционно родственных генов,
кодирующих продукты с близкими функциями, могут
располагаться в разных частях генома,
семейство глобиновых генов – α, β, γ, δ, ε, ζ –глобины)

Кластерная локализация глобиновых генов человека

4. По числу копий и значимости генного продукта:
Гены «домашнего хозяйства»
«house keeping gens»
Гены «роскоши»
«luxury gens»
десятки и сотни копий
единицы копий
кодируют общеклеточные
структуры и функции
кодируют тканеспецифические
структуры и функции
работают в большинстве клеток
и постоянно
работают в определенных клетках
на определенных этапах онтогенеза
5. По состоянию активности:
Активные
(транскрибируемые,
экспрессирующиеся)
Неактивные
(нетранскрибируемые,
неэкспрессирующиеся)
Псевдогены

6. По функции:
Структурные
Гены тРНК
Гены рРНК
Гены белков
Регуляторные
С неизвестной функцией
Регуляторы активности других генов
(промоторы, энхарсеры, сайленсеры, мутаторы)
Регуляторы онтогенеза
Регуляторы клеточного размножения (протоонкогены)
- ферментов (более 30%)
- модуляторов белковых функций
(активаторов, стабилизаторов, конформаторов и т.д.)
- гистонов и трансрипционных факторов
- белков внутри- и внеклеточного матрикса
- трансмембранных переносчиков и каналов
- клеточных сигналов, олигопептидов, гормонов
- экстраклеточных переносчиков
- иммуноглобулинов

Вопрос №3
Общая характеристика генома
человека:
размеры, состав и топография элементов.

Геном –
это вся совокупность нуклеотидных последовательностей ДНК
клетки, или организма.
Размеры генома оцениваются по весу и по длине.
Вес суммарной ДНК

6 пикограммов (пк), т.е. 6*10 грамма.
Длина генома измеряется:
в метрических единицах - ангстремах, миллиметрах, сантиметрах, метрах;
по числу точек кроссинговера - в морганидах или сантиморганидах;
по числу пар оснований или нуклеотидов- в базах, килобазах, мегабазах.
1 сМ=1Мб=1 млн. п.о.
Длина полнстью деспирализованной суммарной ДНК
из одной диплоидной соматической клетки человека составляет
110 см, 6.4 * 10 п.о. или 6400 Мб или 6400 сМ

Сравнительные размеры геномов разных организмов
Царство
живого
Вид
организма
Средняя
длина
1 молекулы
Число
генов
хромосо
м
Размеры
гаплоидного генома
пар
оснований
страниц
текста
Вирусы
Бактериофаг
λ
17,2 мкм
60
1
4,9 * 104
30 страниц
Прокариоты
Кишечная
палочка
1400 мкм
3-4 000
1
3,2 * 106
300 страниц
Эукариоты
Дрозофила
12 000 мкм
(мелкая)
5-6 000
8
1*108
10 томов по
1000
страниц
Гепатоцит
человека
30 000 мкм
(средняя)
30 000
46
3,2 * 109
200 томов по
1000
страниц

В составе генома различают
хромосомные и внехромосомные элементы.
Внехромосомные элементы представляют собой разнообразные по
длине, но всегда более короткие, линейные или кольцевые по форме
фрагменты собственной ДНК клетки в виде амплифицированных онкогенов
и генов устойчивости к ядам, лекарственным препаратам и
антиметаболитам, или ДНК эндосимбионтов в виде плазмид, эписом и
вирусных хромосом, которые могут локализоваться в ядре или цитоплазме.
Хромосомные элементы – это последовательности ДНК,
организованные в отдельные постоянные и обязательные структуры клетки –
хромосомы.
Геном человека включает 25 хромосом, из которых:
22 - Аутосомы, 1 - Х-хромосома, 1 - Y-хромосома, 1 - М-хромосома.

С точки зрения постоянства присутствия в геноме различают
облигатные, факультативные и мобильные его элементы.
Облигатные элементы генома – это тот объем нуклеотидных
последовательностей, состав, количество и локализация которых
обязательны и постоянны для всех представителей определенного вида
живых организмов и которые необходимы и достаточны для формирования
присущего этому виду фенотипа.
Факультативные элементы генома – это такие
послеодовательности нуклеотидов, количество, положение и сам факт
наличия которых не является строго обязательным и постоянным для особей
данного биологического вида (те же ампликоы, плазмиды, эписомы, вирусные
хромосомы).
Мобильные элементы генома – это последовательности ДНК,
топография и количество которых может варьировать в разных
представителей одного вида, а также в разных тканях и разных клетках
одного организма. Их называют транспозонами и они могут перемещаться
из одних участков генома в другие

По локализации в клетке геном эукариотов делится на
ядерный (яДНК) и митохондриальный (мтДНК).
Митохондриальный геном – 95% всей ДНК клетки, совокупность
копий М-хромосомы (порядка 10 000).
Ядерный геном – 5% всей ДНК клетки, совокупность ядерных
хромосом.
Состав ядерного генома клеток человека
Соматические
клетки
Половые клетки
Женский
организм
22 пары аутосом + ХХ - гоносомы 22 аутосомы + Х гоносома
Мужской
организм
22 пары аутосом + ХУ - гоносомы 22 аутосомы + Х гоносома
22 аутосомы + У гоносома
Из общего числа Х-хромосом в клетке активна только она.
Все остальные – формируют тельце Х-полового хроматина.

Сравнительная характеристика
ядерного и митохондриального геномов

Ядерный
геном
Митохондриальный
геном
Хромосомы линейной формы.
Состав: ДНК (40%), белки-гистоны (40%), негистоновые белки
(15%) , РНК, полисахариды, липиды, ионы металлов (в сумме
порядка 5%).
Протяженность ДНК 6,4 *10 пар нуклеотидов
Содержат порядка 30-31 тысячи генов, кодирующих весь спектр
ядерных и цитоплазматических белков клетки, основную часть
белков митохондрий (66 субъединиц белков дыхательной цепи) и
различные виды РНК..
Хромосомы кольцевидной формы.
Состав: «голая», т.е. лишенной белков-гистонов, ДНК, небольшое
количество негистоновых белков, РНК, полисахариды, липиды и
т.д.
Протяженность ДНК 16 569 пар нуклеотидов.
Гены М-хромосомы кодирует 2 рибосомные РНК (12S и 16S),
22 транспортные РНК и 13 полипептидов, входящих в состав
комплексов окислительного фосфорилирования.
Доля отцовской и материнской яДНК в зиготе одинакова и
равноценна. Оба родителя в одинаковой мере передают
генетическую информацию потомству.
Доля отцовской мтДНК в зиготе составляет от 0 до 4
митохондрий, а материнских - 2500.
Репликация отцовских митохондрий в зиготе блокируется.
Информация мтДНК наследуется по материнскому типу.
Помимо мутационной, имеет место и комбинативная
изменчивость (за счет разнообразных сочетаний отцовских
и материнских хромосом в процессе меиоза и оплодотворения).
Комбинативная изменчивость мтДНК отсутствует.
Нуклеотидная последовательность мтДНК меняется в
поколениях только за счет мутации.
Гены яДНК имеют прерывистую (интрон-экзонную) структуру.
Объем
некодирующих
внутрии межгенных вставок
огромен (порядка 98% генома).
Гены мтДНК непрерывны, т.е. не содержат интронов.
Объем некодирующих последовательностей нуклеотидов очень
незначительный.
яДНК способна к репарации.
Скорость мутирования ниже, чем в мтДНК.
мтДНК не способна к репарации.
Скорость мутирования в 10 раз выше, чем в яДНК.
В яДНК транскрибируется
цепь.
В
мтДНК
цепи.
или транслируется только одна
транскрибируются или транслируются обе
Кодон:
УГА является стоп-кодоном.
АУА – кодирует изолейцин.
АГА и АГГ- кодируют аргинин
Кодоны:
УГА кодирует триптофан
АУА – кодирует метионин
АГА и АГГ - являются стоп-кодонами
Патологические мутации генов яДНК проявляются
моногенными болезнями с разными типами наследования.
Патологические мутации генов мтДНК ведут к
митохондриальным болезням, которые наследуются в ряду
поколении по материнской линии.

Многообразие
нуклеотидных последовательностей

По числу копий на геном:
Уникальные
Повторяющиеся
70-75%
25-30%
низко5%
1-10
10 –
несколько
100
средне15%
100 - несколько 1000
SINE-повторы
Alu-повторы
LINE –повторы
высоко10%
десятки и сотни
1000 копий
а-сателлитная (альфоидная ДНК)
минисателлитная
микросателлитная

Нуклеотидные последовательности
По функции:
Кодирующие
2%
уникальные и низко повторяющиеся
последовательности
экзоны структурных генов
Некодирующие
98%
умеренно- и высоко повторяющиеся
последовательности
интроны структурных генов
спейсеры
регуляторные гены
последовательности околоцентромерных
и теломерных районов хромосом

хромосома любого организма, будь то бактерия или человек, содержит длинную непрерывную цепь ДНК, вдоль которой расположено множество генов. Установление количества генов, их точного местоположения на хромосоме и детальной внутренней структуры, включая знание полной нуклеотидной последовательности, - задача исключительной сложности и важности.

Организация генома.

Различные организмы резко отличаются по количеству ДНК, составляющей их геномы. У вирусов в зависимости от их величины и сложности размер генома колеблется от нескольких тысяч до сотен пар нуклеотидов. Гены в таких просто устроенных геномах расположены один за другим и занимают до 100% длины соответствующей нуклеиновой кислоты(РНК и ДНК). Для многих вирусов становлена полная нуклеотидная последовательность ДНК. У бактерий размер генома значительно больше. У кишечной палочки единственная нить ДНК – бактериальная хромосома состоит из 4,2х106(6 степень) пар нуклеотидов. Более половины этого количества состоит из структурных генов, т.е. генов, кодирующих определенные белки. Остальную часть бактериальной хромосомы составляют неспособные транскрибироваться нуклеотидные последовательности, функция которых не вполне ясна. Подавляющее большинство бактериальных генов уникальны, т.е. представлены в геноме один раз. Исключение составляют гены транспортных и рибосомальных РНК, которые могут повторяться десятки раз.

Геном эукариот, особенно высших, резко превышает по размерам геном прокариот и достигает, как отмечалось, сотен миллионов и миллиардов пар нуклеотидов. Количество структурных генов при этом возрастает не очень сильно. Количество ДНК в геноме человека достаточно для образования примерно 2 млн. структурных генов. Реально имеющееся число оценивается как 50-100 тыс. генов, т.е. в 20-40 раз меньше того, что могло бы кодироваться геномом такого размера. Следовательно, приходится констатировать избыточность генома эукариот. Причины избыточности в настоящее время в значительной степени прояснились: во-первых, некоторые гены и последовательности нуклеотидов многократно повторены, во-вторых, в геноме существует много генетических элементов, имеющих регуляторную функцию, в-третьих, часть ДНК вообще не содержит генов

Регуляция работы генов

Откуда клетка знает, какой белок производить и в каком количестве?

В начале каждого гена расположен сегмент ДНК, который содержит контролирующие элементы именно этого гена. Этот сегмент называется промотор. Он выполняет функции сторожевой башни, поднимая флаг, то есть подавая сигнал контролируемому им гену. Возьмем, например, выработку инсулина (который мы производим, чтобы обеспечить сжигание сахара в крови). Когда в клетке появляется информационная молекула с сообщением больше инсулина, вырабатывается молекула-посредник, которая связывается с инсулиновой сторожевой башней. После этого рычажок сторожевой башни перемещается и открывает путь считыванию инсулинового гена.

Как информация, содержащаяся в ДНК, превращается в белки в нужное время?

Каждый ген состоит из трех основных компонентов: сторожевой башни (промотор), информационного блока и поли-А сигнального элемента.

Если в клетке недостаточно какого-то протеина, то ядру направляется сообщение найти соответствующий ген. Если сторожевая башня признает полученное сообщение, то будет послан сигнал открыть ворота информационному блоку. Информация тут же копируется - или считывается (транскрибируется) - в нитевидную молекулу, которая называется РНК. РНК очень похожа на ДНК, только она представляет собой одну цепочку, а не две. После того, как информация была скопирована, к концу молекулы прикрепляется хвост в 200 нуклидов типа А. Этот процесс называется полиаденилированием , а начинает его поли-А сигнал, расположенный в конце гена. Поли-А хвост помогает сохранить информационные РНК в ядре на ограниченное время. После этого копии гена (РНК) выходят из ядра в цитоплазму и связываются с мини-органеллами - рибосомами, выполняющими функцию синтеза белков из аминокислот. Рибосомы считывают код с РНК и связывают аминокислоты в полипептидную цепочку белковой молекулы.

Ни одна клетка никогда не сможет использовать всю информацию, содержащуюся в ДНК. Клетки разделяют работу между собой - они специализируются. Клетки мозга не станут вырабатывать инсулин, клетки печени не будут производить слюну, так же как и кожные клетки не станут строить костную ткань.

Историю развития взглядов на единицы наследственности (гены), открытые Г. Менделем, можно условно разделить на несколько периодов. В соответствии с «классической» точкой зрения, которая превалировала в 30-е гг. XX в., ген рассматривали как неделимую единицу генетической передачи, функции, мутации и рекомбинации. Начиная с 1940-х гг. в связи с установлением генетической роли ДНК формируется «неоклассическая» концепция, согласно которой ген (цистрон) представляет собой участок молекулы ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, определяющей первичную структуру синтезируемой молекулы мРНК и соответствующего полипептида либо одиночной молекулы тРНК или рРНК. При этом ген подразделяется на составные части в виде элементарных единиц мутации (мутонов) и рекомбинации (реконов ), которые могут быть идентифицированы как определенные участки полинуклеотида. Гены, детерминирующие структуру полипептидов и молекул РНК, получили название структурных генов. Современный период понимания гена, начавшийся с 1970-х гг., связан с появлением новых знаний о прерывистой («мозаичной») структуре генов эукариот и ряде других особенностей генетической организации различных организмов (перекрывающиеся гены, повторяющиеся гены, псевдогены, мобильные гены и др.).

В рамках классической (формальной) генетики принято рассматривать ген как структурную единицу, детерминирующую элементарный признак (фен) организма. Совокупность всех генов отдельного организма (индивидуума) называют его генотипом, а совокупность наследуемых признаков - фенотипом. Термином «геном» принято обозначать совокупность всех генетических элементов (ДНК хромосом, митохондрий, плазмид и др.), являющихся постоянными для организмов данного вида. Следует заметить, что размеры геномов (количества геномной ДНК либо РНК у соответствующих вирусов) имеют существенные различия у организмов, относящихся к разным уровням организации живой материи (вирусов, бактерий, эукариот).

Достижения современного этапа в изучении структуры и функций генов связаны с разработкой и широким использованием технологий генетической инженерии, в том числе методов клонирования фрагментов ДНК (генов) различных организмов. Для молекулярного клонирования могут быть использованы ферменты, получившие название рестрикционных эндонуклеаз (рестриктаз), которые способны расщеплять («разрезать») специфические нуклеотидные последовательности молекулы ДНК с разрушением фосфодиэфирных связей и образованием линейных фрагментов молекулы. В качестве носителей (векторов) клонируемых генов обычно используют небольшие кольцевые молекулы ДНК вирусов либо бактериальных плазмид.

Примером может служить действие рестриктазы EcoRl, которая способна «узнавать» участки молекулы ДНК, содержащие шести нуклеотидные инвертированные последовательности (б"-ГААТТЦ-З" на одной нити и 3"-ЦТТААГ-5" на другой (комплементарной) нити), и вносить разрывы между нуклеотидами Г и А каждой из нитей молекулы (рис. 5.24). Дальнейшее разделение этих нитей приводит к появлению однонитевых («липких») концов образовавшихся фрагментов молекулы, которые, однако, могут легко воссоединяться по комплементарному принципу с помощью фермента лигазы, способного восстановить целостную структуру молекулы.

Рис. 5.24. Механизм действия рестриктазы EcoR

На рис. 5.25 приведена схема эксперимента по клонированию одного из рестрикционных фрагментов хромосомной молекулы ДНК, содержащей нужный исследователю структурный ген, в кольцевую векторную молекулу ДНК (плазмиду), которая предварительно разрезается той же рестриктазой, следовательно, имеет «липкие» концы, необходимые для последующего воссоединения с клонируемым хромосомным фрагментом. В качестве вектора обычно подбирается такая молекула ДНК, которая имеет лишь один полинукпеотидный участок, узнаваемый используемой рестриктазой, т. е. один участок разрезания, поэтому в результате ее рестрикции образуется один линейный фрагмент, имеющий два комплементарных друг другу «липких» конца. Полученную таким способом гибридную молекулу ДНК (плазмидный вектор с включенным в его структуру хромосомным геном) можно затем ввести в бактериальную клетку с помощью трансформации и копировать в процессе размножения бактерий, являющихся хозяевами этой молекулы.

Последующее выделение копированной ДНК клонированного гена, вырезанной той же рестриктазой из структуры векторной молекулы, дает возможность проводить детальный молекулярно-генетический анализ этого гена, включая определение его нуклеотидной последовательности (секве- нирование гена). К настоящему времени созданы обширные «библиотеки» клонированных генов (клонотеки) различных организмов, которые используются как для исследовательских работ, так и при решении ряда практических задач.

Рис. 5.25.

Большинство структурных генов прокариот (бактерий) представлено непрерывными участками молекулы ДНК, вся информация которых используется при синтезе кодируемых полипептидных цепочек. Следовательно, генетическая информация прокариотического гена реализуется полностью. У некоторых мелких вирусов была обнаружена необычная структурно-функциональная организация генетического материала в форме перекрывающихся генов (по принципу «ген в гене»), которая позволяет осуществлять еще более экономное использование имеющихся весьма ограниченных информационных возможностей генома. Так, например, некоторые участки ДНК одного из самых мелких бактериофагов срХ 174 (табл. 5.5) содержат информацию не одного, а одновременно двух различных генов, что позволяет геному" столь малых размеров кодировать не менее 9 различных белковых молекул. Считывание информации перекрывающихся генов начинается с разных стартовых точек одной и той же нуклеотидной последовательности, т. е. имеются различные рамки считывания этой последовательности.

Размеры геномов различных организмов

В отличие от прокариот для эукариот типичным является прерывистый характер структурно-функциональной организации генов. Информация такого гена о структуре синтезируемого полипептида существует не в виде непрерывной нуклеотидной последовательности определенного участка молекулы ДНК, а в форме кодирующих фрагментов (экзонов), которые прерываются (разделяются) «инертными» нуклеотидными последовательностями (нитронами), не принимающими прямого участия в кодировании этого полипептида. Следовательно, гены различных эукариотических организмов представляют собой мозаику из нескольких чередующихся в определенном порядке экзонов и интронов. Размеры интронов в составе таких генов колеблются от 10 до более чем 1000 пар нуклеотидов. Примером может служить мозаичная структура генов, кодирующих синтез полипептид- ных цепочек а- и р-глобина (рис. 5.26), которые формируют тетрамерную структуру молекулы гемоглобина человека, содержащей две а- и две р-цепочки. Закрашенные участки (рис. 5.26) - районы генов, кодирующие структуру полипептидов (экзоны), которые разделены интронами (незакрашенные участки). Цифры над генами указывают аминокислотные остатки кодируемого полипептида (после сплайсинга). Заштрихованные участки, которые транскрибируются в мРНК, но не транслируются в белок, принято рассматривать как нетранслируемые части первого и последнего экзонов.

Рис. 5.26.

Предполагается, что нитроны могут участвовать в регуляции процессинга РНК. Имеются данные, позволяющие считать, что они, вероятно, существенно влияют на процессы рекомбинации между гомологичными генами. Существует также гипотеза о том, что по интронным участкам относительно легко и часто могут рекомбинироваться гены разных белков либо гены, детерминирующие белки одного семейства, но накопившие разные мутации. Можно полагать, что такие свойства интронов должны ускорять эволюцию белковых молекул, облегчая процессы эволюции эукариот в целом, тем самым обеспечивая им значительные преимущества по сравнению с прокариотами. В качестве «эволюционного резерва» эукариот можно, вероятно, рассматривать и обнаруживаемые в их геномах псевдогены, которые представляют собой нуклеотидные последовательности ДНК, гомологичные последовательностям известных (функционирующих) генов, но по тем или иным причинам не проявляющие информационной активности, т. е. не дающие конечного зрелого продукта.

Одной из особенностей генетической организации эукариот является также присутствие в их геномах значительного числа повторяющихся генов, кодирующих первичную структуру тРНК, рРНК, белков-гистонов, а также иных (менее протяженных и не всегда идентифицированных в плане функциональной значимости) повторяющихся последовательностей ДНК, количество копий которых может варьировать от единиц до нескольких тысяч и более. Так, например, в гаплоидном геноме человека, содержащем около 3 х 10 9 пар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности ДНК составляют примерно 30 %, тогда как остальные 70 % генома представлены «уникальными» последовательностями, которые существуют в единичных копиях.

В геномах различных организмов (прокариот и эукариот) обнаружены также мобильные (транспозируемые) гены.

Ген - это участок молекулы ДНК (или РНК), кодирующий последовательность аминокислот в полипептидной цепи или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортной РНК (тРНК) и рибосомной РНК (рРНК). 1) дискретный наследственный фактор, определяющий проявления данного признака;

2) участок ДНК, кодирующий одну молекулу РНК.

Аллельные гены - это гены, расположенные в одинаковых локусах гомологичных хромосом и контролирующие развитие вариаций одного признака (например, цвет глаз у человека, который может быть голубой, зеленый, карий, детерминируется парой аллельных генов).

Аллели - разновидности одного и того же гена, расположенные в идентичных локусах гомологичных хромосом.

Неаллельные гены - это гены, расположенные в разных локусах хромосом и контролирующие развитие разных признаков или вариаций одного признака. (Например, неаллельными являются гены, определяющие цвет и поверхность семян гороха, или различные вариации цвета кожных покровов у человека).

Генотип - это совокупность всех генов организма.

Фенотип - это совокупность всех признаков организма, которые формируются в результате реализации генотипа в определенных условиях внешней среды.

Гомозиготный организм - имеет 2 одинаковых аллельных гена и продуцирует 1 тип гамет.

Гетерозиготный это организм который имеет 2 разных аллельных гена и продуцирует 2 типа гамет. Гемизиготный - это организм у которого в диплоидном наборе присутствует лишь 1 ген из аллельной пары и этот ген всегда проявляется у гемизигот.

Наследственность - свойство живых организмов сохранять в ряду поколений сходство структурно функциональной организации.

Изменчивость - свойство живых организмов получать новые признаки под влиянием условий окружающей среды.

Геном человека -- совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две пары аутосом, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.

Геном человека. Термин «геном» впервые был введен немецким ботаником Гансом Винклером в 1920 г., который охарактеризовал его как совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организма. В отличие от генотипа, геном является характеристикой вида, а не отдельной особи. Каждая гамета диплоидного организма, несущая гаплоидный набор хромосом, по сути, содержит геном, характерный для данного вида. Вспомните наследование признаков у гороха. Гены окраски семени, формы семени, окраски цветка есть у каждого растения, они являются обязательными для его существования и входят в геном данного вида. Но у любого растения гороха, как у всех диплоидных организмов, существует два аллеля каждого гена, расположенные в гомологичных хромосомах. У одного растения это могут быть одинаковые аллели, отвечающие за желтую окраску горошин, у другого - разные, обусловливающие желтую и зеленую, у третьего - оба аллеля будут определять развитие зеленой окраски семян, и так по всем признакам. Эти индивидуальные отличия являются характеристикой генотипа конкретной особи, а не генома. Итак, геном - это «список» генов, необходимых для нормального функционирования организма. Расшифровка полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека позволила оценить общее число генов, составляющих геном. Оказалось, что их всего около 30-40 тыс., хотя точное число пока не известно. Раньше предполагали, что количество генов у человека раза в 3-4 больше - около 100 тыс., поэтому данные результаты стали своего рода сенсацией. У каждого из нас генов всего в 5 раз больше, чем у дрожжей, и всего в 2 раза больше, чем у дрозофилы. По сравнению с другими организмами, мы имеем не так уж много генов.

Строение гена эукариот. В среднем на один ген в хромосоме человека приходится около 50 тыс. нуклеотидов. Существуют очень короткие гены. Например белок энкефалин, который синтезируется в нейронах головного мозга и влияет на формирование наших положительных эмоций, состоит всего из 5 аминокислот. Следовательно, ген, отвечающий за его синтез, содержит всего около двух десятков нуклеотидов. А самый длинный ген, кодирующий один из мышечных белков, состоит из 2,5 млн нуклеотидов. В геноме человека, так же как и у других млекопитающих, участки ДНК, кодирующие белки, составляют менее 5 % от всей длины хромосом. Остальную, большую часть ДНК раньше называли избыточной, но теперь стало ясно, что она выполняет очень важные регуляторные функции, определяя, в каких клетках и когда должны функционировать те или иные гены. У более просто организованных прокариотических организмов, геном которых представлен одной кольцевой молекулой ДНК, на кодирующую часть приходится до 90 % от всего генома. Все десятки тысяч генов не работают одновременно в каждой клетке многоклеточного организма, этого не требуется. Существующая специализация между клетками определяется избирательным функционированием определенных генов. Мышечной клетке не надо синтезировать кератин, а нервной - мышечные белки. Хотя надо отметить, что существует довольно большая группа генов, которые работают практически постоянно во всех клетках. Это гены, в которых закодирована информация о белках, необходимых для осуществления жизненно важных функций клетки, таких, как редупликация, транскрипция, синтез АТФ и многие другие. В соответствии с современными научными представлениями, ген эукариотических клеток, кодирующий определенный белок, всегда состоит из нескольких обязательных элементов. Как правило, в начале и в конце гена располагаются специальные регуляторные участки; они определяют, когда, при каких обстоятельствах и в каких тканях будет работать этот ген. Подобные регуляторные участки дополнительно могут находиться и вне гена, располагаясь достаточно далеко, но, тем не менее, активно участвуя в его управлении. Кроме регуляторных зон существует структурная часть гена, которая собственно и содержит информацию о первичной структуре соответствующего белка. У большинства генов эукариот она существенно короче регуляторной зоны.