Diapositiva 1 - Кафедра генетики
реклама
Генетика клеточных органелл для магистрантов профиля Генетика РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА И ИСТОЧНИКИ • Даниленко Н.Г., Давыденко О.Г. Миры геномов органелл. – Мн.: Тэхналогiя, 2003. – 494 с. • Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. – 479 с. (http://www.biblioclub.ru). Глава 23. С. 452-459 • МАТЕРИАЛЫ САЙТА КАФЕДРЫ ГЕНЕТИКИ genetics.kemsu.ru Генетика клеточных органелл. Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ Свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями реализуется в процессе наследования или воспроизведения в ряду поколений специфического характера обмена веществ и индивидуального развития в определенных условиях внешней среды «Развитие представлений о наследственности – пример непрерывного экспериментального уточнения фактов и закономерностей, открытых в середине прошлого столетия Г.И. Менделем» (С.Г. Инге-Вечтомов) Эволюция знаний. ЯДЕРНАЯ ГИПОТЕЗА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Доказательство ядерной гипотезы наследственности Теодор Бовери 1889 г. Т. Бовери в эксперименте по оплодотворению морского ежа доказал важность ядра в наследственности по сравнению с цитоплазмой Эволюция знаний. ЯДЕРНАЯ ГИПОТЕЗА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ТЕОРИЯ СЕТТОНА – БОВЕРИ СУТЬ: каждая хромосома индивидуальна и несет уникальную комбинацию генов. Комбинации генов одинаковы на гомологичных хромосомах, но различны на негомологичных Уолтер Саттон 1902 - 1903 гг. У. Саттон и Т. Бовери независимо друг от друга выявили параллелизм в поведении менделевских факторов наследственности (генов) и хромосом. Эволюция знаний. ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Доказательство генетической роли хромосом и формулирование «хромосомной теории» Герман Меллер Томас Морган 1909 - 1913 гг. Т. Морган и его сотрудники К. Бриджес, А. Стертевант и Г. Меллер обосновали хромосомную теорию наследственности А.Стертевант, К. Бриджес, Т. Морган Эволюция знаний. ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Современная интерпретация хромосомной теории наследственности: • Гены локализованы в хромосомах линейно. Различные хромосомы содержат разное число генов. Набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален. • Одинаковые гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах. • Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, из-за чего происходит сцепленное наследование некоторых признаков. • Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом. Эволюция знаний. ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ Сформулирована Центральная догма молекулярной биологии Френсис Крик СУТЬ: в ДНК закодирована первичная структура белков, то есть последовательность их аминокислотных остатков Эволюция знаний. ГЕНОМИКА И ЭПИГЕНЕТИКА Генетика предполагает, а эпигенетика располагает. Питер Медавар, Нобелевский лауреат ГЕНОМИКА – раздел молекулярной биологии, занимающийся изучением структурной организации, эволюции и функционировании геномов Питер Медавар ЭПИГЕНЕТИКА – наука о наследуемых свойствах организма, которые не связаны с изменением собственно нуклеотидной последовательности ДНК и могут быть не прямо, а опосредованно закодированы в геноме РАЗДЕЛЫ ГЕНОМИКИ ГЕНОМИКА СТРУКТУРНАЯ ГЕНОМИКА ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГЕНОМИКА СРАВНИТЕЛЬНАЯ ГЕНОМИКА ЭВОЛЮЦИОННАЯ ГЕНОМИКА МЕДИЦИНСКАЯ ГЕНОМИКА и т.д. РАЗДЕЛЫ ГЕНОМИКИ СТРУКТУРНАЯ СРАВНИТЕЛЬНАЯ Генетические карты высокого разрешения Эволюция хромосом Физические карты Консервативность генов Полногеномная нуклеотидная последовательность Структура транскрипта Структура белка ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ Синтез транскриптов Синтез белков Эпигенетика ЭПИГЕНЕТИКА К числу известных эпигенетических механизмов (сигналов) относятся: • энзиматическое метилирование ДНК • гистоновый код (разные энзиматические модификации гистонов – ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитинирование и др.) • замалчивание генов малыми РНК (miRNA, siRNA) ЭПИГЕНЕТИКА Метилирование ДНК Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца ЭПИГЕНЕТИКА Гистоновый код набор модификаций гистоновых «хвостов» на поверхности нуклеосом, определяет функциональное состояние гена ЭПИГЕНЕТИКА Гистоновый код Организация генома: ступени структуры кодон ген оперон геном КОДОН единица генетического кода, триплет нуклеотидов, кодирующий включение одной аминокислоты в структуру белка ГЕН структурная и функциональная единица наследственности живых организмов структурные функциональные регуляторные последовательности ГЕНЫ: структурные содержат информацию о структуре белка и РНК состоят из структурной и регуляторной части Модель общей структуры гена человека ГЕНЫ: функциональные Модифицируют активность структурных генов (кодируют белки, регулирующие активность структурных генов) • гены регуляторные, регулируют работу структурных генов, через процессы репликации, транскрипции и трансляции • процессинг гены, регулируют посттранскрипционный и посттрансляционный процессинг • темпоральные гены, включают в работу структурные гены в ходе клеточной дифференцировки РЕПЛИКАЦИЯ Репликация прокариотической ДНК Репликация эукариотической ДНК ТРАНСКРИПЦИЯ ГЕНОВ Процесс биосинтеза РНК , комплементарных одной из цепей матричной ДНК, сопровождаемый полимеризаций рибонуклеозидтрифосфатов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ), с образованием 3’→5’-фосфодиэфирных связей и высвобождением прирофосфата Транскрипция прокариотической ДНК ТРАНСКРИПЦИЯ ГЕНОВ Транскрипция эукариотической ДНК ПРОЦЕССИНГ Процессинг эукариотической мРНК СПЛАЙСИНГ Сплайсинг эукариотической мРНК РАЗМЕРЫ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА Самый маленький ген кодирует белок инсулин, самый крупный – дистрофин ГЕН ИНСУЛИНА ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ Альтернативный промотор ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ Альтернативный сплайсинг ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ прокариоты ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ пособ регуляции активности ключевых белков клетки, в том числе ферментов и белков сигнальных путей ГЕНЫ: регуляторные последовательности • для репликации, содержащие сайты отвечающие за начало и конец репликации ДНК • для рекомбинации, содержащие специфические сайты распознаваемые рекомбинационными ферментами • для сегрегации, которые определяют взаимодействие хромосом с аппаратом веретена в процессе мейоза и митоза • гены, содержащие сайты присоединения (сайты мишени) для белков, гормонов и некоторых других молекул. ГЕНЫ: регуляторные последовательности Последовательности в ДНК (промотор, оператор, терминатор, энхансер, сайленсер, инсулятор), обеспечивающие экспрессию гена, взаимодействуя со специфическими белками прокариоты эукариоты РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ ПРОКАРИОТЫ ЭТАПЫ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ ЭУКАРИОТЫ РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ ЭУКАРИОТЫ ОПЕРОН прокариот Группа тесно сцепленных генов, находящаяся под контролем общего промотора и общего оператора, транскрибируемая как единая мРНК Структурная организация генов в ДНК Структурная организация генов в ДНК Организация геномов: разнообразие ГЕНОМ ГЕНОМ ГЕНОМ ВИРУСОВ ПРОКАРИОТ ЭУКАРИОТ Организация геномов: локализация ХРОМОСОМНАЯ ЯДЕРНАЯ передача в ряду поколений генов, локализованных вне ядра (бактериальной хромосомы) ВНЕХРОМОСОМНАЯ НЕЯДЕРНАЯ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ Генетика клеточных органелл. Лекция 1 НЕХРОМОСОМНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА Раздел генетики, изучающий структуру и функционирование цитоплазматических геномов (пластид, плазмид, митохондрий) Генетика клеточных органелл. Лекция 1 ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ГЕНОМОВ История открытий НЕХРОМОСОМНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ Карл Корренс (1864–1933) 1909-1910 гг. – открытие явления детерминация признаков организма факторами, локализованными не в ядре, а в цитоплазме Эрвин Баур (1875–1933) К. КОРРЕНС Однородительская передача признака 1909 г. – К. Корренс обнаружил, что зеленая или пёстрая окраска листьев Mirabilis jalapa наследуется не по Менделю и зависит от материнского растения В опытах Менделя реципрокные скрещивания всегда давали одинаковый результат Mirabilis jalapa (ночная красавица) ( из Инге-Вечтомов, 1996) Э. БАУР Открытие пластидной наследственности 1909 г. – описал наследование признаков при скрещивании пестролистных растений Pelargonium 1910 г. – опубликовал результаты экспериментов с пестролистными растениями львиного зева Antirrhinum majus, дал правильную интерпретацию явления (хлоропласты) Pelargonium zonale (герань зональная) Antirrhinum majus (львиный зев) развитие пестролистности обусловлено мутацией, возникающей в ДНК хлоропластов и нарушающей в них синтез хлорофилла а – зеленые листья, б – пестрые листья, в – белые листья; I, II, III – результаты скрещивания различных материнских растений (а, б, в) с разными отцовскими История открытий. Б. ЭФРУССИ 1940-е г. – изучал у Saccharomyces cerevisiae наследование способности к дыханию (нормальные и дыхательнонекомпетентные дрожжи) Борис Самойлович Эфрусси (1901–1979) Признак способности/неспособности к дыханию у дрожжей определяется митохондриями (утрата активности цитохромоксидазы) Нормально дышащие дрожжи образуют крупные матовые колонии и растут на глюкозе (ферментация) и углероде (этаноле или глицерине, за счет их окисления). Мутантные дрожжи, не способные к дыханию, на глюкозе образуют мелкие блестящие колонии (вегетативные карликовые колонии), а на этаноле, глицерине не растут совсем. История открытий. ЦМС 1930-е гг. М. Роудс (США ) и М.И. Хаджинов (СССР) открыли материнский тип наследования стерильности пыльцы у кукурузы Маркус Мортон Роудс Стерильность пыльцы, вызванная цитоплазматическими факторами, носит название цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) М.И. Хаджинов История открытий. ЦМС Кукуруза – однодомное растение, женские цветки которого собраны в початок, а мужские – в метелку. Иногда в метелке могут быть недоразвитые пыльники со стерильной пыльцой наследуется по материнской линии, через цитоплазму яйцеклетки возникла в ходе эволюции цветковых и проявляется в популяциях растений спонтанно. обусловливается ядерно-цитоплазматическими отношениями (проявляется во взаимодействии ядерного генома с ДНК митохондрий) выражается в дегенерации большинства пыльцевых зерен и пыльников на определенных этапах их развития Генетика клеточных органелл. Лекция 1 ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ Генетика прокариот. БАКТЕРИИ ГЕНОМ БАКТЕРИЙ представлен хромосомой (нуклеоид), плазмидами и транспозонами Генетика прокариот. БАКТЕРИИ ЯДЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ БАКТЕРИЙ – хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК) Цитоплазматическая наследственность прокариот. ПЛАЗМИДЫ ПЛАЗМИДЫ – нехромосомный генетический материал (кольцевые ДНК). Функции: • увеличивают генетическое разнообразие бактерий • способствуют переносу генетической информации • являются носителями дополнительной информации Генетика прокариот. МГЭ. МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ (МГЭ) участки ДНК, способные определять свой перенос (транспозицию) внутри генома. IS-элементы TN-элементы Генетика прокариот. МГЭ. IS-элементы. IS-ЭЛЕМЕНТЫ инсерционные последовательности Функции: • координация взаимодействий элементов генома • регуляция экспрессии генов • индукция мутаций Генетика прокариот. МГЭ. Tn-элементы. Tn-ЭЛЕМЕНТЫ транспозоны Функции: • содержат структурные гены (гены устойчивости к антибиотикам, ионам тяжелых металлов и другим ингибиторам) • индукция стабильных мутаций Генетика эукариот. ЯДРНАЯ ДНК Генетика эукариот. ТРАНСКРИПТОН Генетика эукариот. ГЕНОМ РАСТЕНИЙ. Ядерная ДНК Пластидная ДНК Митохондриальная ДНК Цитоплазматическая наследственность. РАСТЕНИЯ. ПЛАСТИДНАЯ ДНК ПЛАСТОМ - генетический материал, содержащийся в пластидах растительной клетки. Размер – 120-170 тпн Более 100 генов, в т.ч. 46-90 кодируют белок, 4 – рРНК, 21 – рибосомальные белки, 30 0 тРНК и 4 – субъединица РНК-полимеразы Генетика эукариот. ГЕНОМ ЖИВОТНЫХ. Ядерная ДНК Митохондриальная ДНК Цитоплазматическая наследственность. МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ДНК ДНК – двухцепочечная кольцевая, много А-Т пар (65%), гистонов нет, не связана с мембраной. Транскрипция по полицистронной модели, интронов нет. Размер мтДНК растений – 200-2500 т.п.н. Размер мт ДНК человека – 16569 п.н., 37 генов, из них 13 кодируют белок, 22 – тРНК, 2 – рРНК
