Строение ДНК Регуляция активности генов

Синтез ДНК
Реализация
наследственной
информации
Заведующий кафедрой
биологии, профессор
Колесников О.Л.
Особенности ДНК-полимеразы
Синтез новой цепи идет в направлении
от 5’ к 3’ концу цепи
Фермент может присоединять
нуклеотиды только к имеющейся цепи,
т.е. нужна затравка в виде РНК
Репликация ДНК
Репликация начинается в строго
определенных точках
Топоизомераза раскручивает спираль ДНК
Геликаза – расщепляет водородные связи
на участке матричной ДНК, формируется
репликатиционная вилка
SSB белки препятствуют соединению цепей
ДНК
РНК-праймаза синтезирует короткие
фрагменты РНК (праймеры), которые
присоединяются к ДНК (3’-конец)
ДНК-полимераза стартует с праймера и
синтезирует дочернюю цепь от 5’ → 3’
Одна цепь синтезируется непрерывно, а
вторая – виде отдельных участков
(фрагменты Оказаки), здесь синтез идет
медленнее
Созревание ДНК (отщепление праймеров,
присоединение недостающих нуклеотидов)
и сшивание лигазой.
Топоизомераза – скручивание спирали ДНК
Ген и его свойства.
Ген – структурно-функциональная единица
наследственной информации, которая
представляет собой участок молекулы ДНК,
содержащий информацию о
последовательности аминокислот в
полипептиде или последовательности
нуклеотидов в молекуле тРНК или рРНК.
Свойства гена: 1) стабильность – при
отсутствии мутаций ген остается неизменным
и передается в ряду поколений в
первоначальном состоянии. Это составляет
основу одного из фундаментальных свойств
живого – наследственности
2) Лабильность (мутабельность). В основе этого
свойства лежит способность гена к изменениям с
возникновением новых аллельных генов и новых
аллелей. Это обеспечивает существование
изменчивости как общебиологического свойства.
Частота спонтанных мутаций – 10-5 – 10-6/ локус в
гамете/поколение.
3) Аллелизм – т.е. существование разных генов,
расположенных в идентичных локусах
гомологичных хромосом. Чаще всего их 2, но
может быть и более – множественный аллелизм –
пример – группы крови АВО. Причина
формирования различных аллельных генов –
мутации. Наличие различных аллелей
способствует формированию генетического и
фенотипического полиморфизма.
4) Дискретность – каждый ген несет
определенную порцию информации и
обеспечивает формирование
определенной молекулы.
5) Плейотропность – т.е. ген
обеспечивает формирование одного
признака и влияет на другие признаки
или на функционирование других генов.
Плейотропность может быть связана с
модифицирующими свойствами гена
или с полифункциональностью
кодируемого им белка
Первичная плейотропность
Признак 1
Ген
Белок
Признак 2
Признак 3
Вторичная плейотропность
Признак 1
Ген
Признак
Белок первичн
ый
Признак 2
Признак 3
6) Дозированность гена – в норме в
генотипе строго закреплена доза
каждого гена. Поэтому как увеличение,
так и уменьшение дозы гена может
приводить к развитию патологических
состояний – трисомия, полиплоидия.
7) гены способны к взаимодействию –
взаимодействие аллельных и
неаллельных генов.
Этапы реализации генетической
информации у эукариотов
1) Транскрипция
2) Процессинг
3) Трансляция
4) Посттрансляционные изменения.
1 и 2 – в ядре, 3 и 4 – в цитоплазме.
Строение гена эукариот
Лауреаты Нобелевской премии 1993 года за
открытие прерывистой природы гена
Количество интронов
33 интрона для гена вителлогенина А
(Wahli et al.)
50 интронов для гена коллагена (de
Crombrugghe et al.)
Процессинг (посттранскрипционные
изменения) – созревание первичного
транскрипта и формирование зрелой иРНК,
которая способна выполнять функцию
матрицы при синтезе белка на рибосомах и
защищена от действия ферментов
цитоплазмы.
Этапы:
А) на 51 конце про-РНК образуется особая
структура – кэп (т.е. шапочка). Кэп
обеспечивает контакт иРНК с малой
субъединицей рибосомы.
Б) На 31 конце отщепляется часть
нуклеотидов и присоединяется 100 – 200
остатков полиадениловой кислоты (полиА). В
цитоплазме остатки полиА постепенно
отщепляются ферментами. Поэтому чем
длиннее фрагмент полиА, тем дольше будет
существовать иРНК.
В) Метилирование ряда нуклеотидов –
повышает устойчивость к ферментам
цитоплазмы.
Г) Сплайсинг – вырезание неинформативных
для данного белка участков РНК (интроны) и
сшивание участков, кодирующих структуру
полипептида (экзоны).
Белков около 80 - 100 тысяч
Альтернативный сплайсинг (до 50%
генов)
Зрелая мРНК
Трансляция
Процесс сборки пептидной цепи на
рибосомах согласно информации,
закодированной в иРНК.
Этапы:
А) Инициация
Б) Элонгация
В) Терминация
Пострансляционные изменения.
Синтезируется полипептидная цепь
(т.е. первичная структура белка).
Однако большая часть белков в таком
виде не способны выполнять свои
функции. Поэтому происходит ряд
процессов, среди которых:
а) отщепление метионина,
б) формирование вторичной структуры
за счет водородных связей;
в) формирование третичной структуры
за счет дисульфидных связей;
г) гликозилирование белков (антитела);
д) отщепление части полипептида в том
случае, когда синтезируется про-белок
(инсулин и С-белок),
е) формирование четвертичной
структуры.
Различия в реализации
наследственной информации у
эукариотов и прокариотов
1) У прокариотов – 1 кольцевидная молекула
ДНК, не отделена от цитоплазмы, нет
интронных участков. Сплайсинг и процессинг
характерны лишь для эукариотов.
2) У прокариотов транскрипция и трансляция
происходят практически одновременно, т.е.
синтез белка начинается еще тогда, когда
идет синтез РНК. У эукариотов транскипция и
трансляция разделены во времени и
пространстве.
3) У прокариотов синтез различных видов РНК
обеспечивается одним ферментом – РНКполимеразой, у эукариотов для синтеза различных
типов РНК имеются различные ферменты (3
различных фермента).
4) У прокариотов может одновременно идти
транскрипция нескольких генов, которая
контролируется одним промотором. У эукариотов для
каждого гена существует уникальный промотор.
5) У прокариотов описана система оперона, которая
отсутствует у эукариотов.
6) У эукариотов экспрессия генов контролируется
многочисленными внеклеточными регуляторными
факторами (например, – цитокины, гормоны и т.д.).
Регуляция генной активности у
эукариотов
Генов у человека около 25 тыс.
Они составляют около 10% всей ДНК.
Последовательности генов, которые
кодируют расположение аминокислот в
белке составляют около 3% всей ДНК.
Некодирующие участки ДНК
а) интроны б) регуляторные участки на
5' 3'концах генов (промоторы,
терминаторы) в) энхансеры г)
сайленсеры д) повторы в ДНК,
расположенные в теломерных и
прицентромерных районах хромосом.
Все гены делят на
1) репрессированные (90% и более)
2) дерепрессированные (5 – 10%). Эти
гены способны транскрибироваться в
данных клетках.
А) конституитивные (работают всегда).
Их активность регулируется
способностью РНК-полимеразы
фиксироваться к ДНК (тРНК, рРНК,
рибосомальные белки, гистоны и т.д.).
Б) регулируемые – на них действуют
дополнительные факторы.
Специфическая регуляция
А) факторы транскрипции – особые белки,
которые необходимы для связывания
РНК-полимеразы с промотором. Они могут
иметь тканевую специфичность – т.е. для
транскрипции одного и того же гена в
разных тканях имеются разные белки.
Б) энхансеры – регуляторные элементы,
которые усиливают транскрипцию гена.
Свойства энхансеров: 1) могут лежать как на 5', так и
3' концах генов, в интронах, а также на большом
расстоянии от гена; 2) активируют гены независимо
от ориентации (т.е. лежат как "перед" геном, так и
"после" гена - 5' и 3' концы, транскрипция с ДНК идет
в направлении 3'  5', отсюда ориентация); 3) один
энхансер может активировать транскрипцию
нескольких генов; 4) на энхансеры могут влиять
различные белки и гормоны
В) сайленсеры - регуляторные элементы, которые
ослабляют транскрипцию генов. Могут также
располагаться на больших расстояниях от гена и
находиться как "перед" геном, так и "после" гена
Г) Метилирование оснований ДНК – (чаще по 5
углероду цитозина). Большое количество метильных
групп наблюдается в неактивных, репрессированных
генах.
Неспецифическая регуляция
Основной вариант – формирование
факультативного гетерохроматина на
определенных участках ДНК. Пример – потеря
активности генов в половом хроматине, т.е.
половых хромосомах, которые
гиперспирализованы и образуют гетерохроматин
(Х хромосома в женских клетках).
У диплоидных самцов мучного червя
(Planococcus cirtii) в состояние гетерохроматина
переходят все отцовские хромосомы. Эти самцы
имеют диплоидный набор хромосом, но
функционально гаплоидны.