Организация наследственного материала II
реклама
Медицинская биология и общая генетика Лекция №4 Лектор: кандидат биологических наук, доцент Давыдов Владимир Витольдович Уровни упаковки генетического материала Уровни организации наследственного материала Свойства гена Классификация генов Регуляция работы генов у прокариот Регуляция работы генов у эукариот Цитоплазматическая наследственность Длина ДНК в диплоидном наборе хромосом человека 2 м, а всех метафазных хромосом 150 мкм ДНК соединяется с гистоновыми (основными) и негистоновыми (кислыми) белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы Компактизация генетического материала достигается спирализацией, (конденсацией) и связью ДНК с белками Длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке тела человека равна почти 2 м, а если учесть, что тело взрослого человека составлено примерно из 5·1013 клеток, то общая длина молекул ДНК в организме достигнет 1·1011 км, что в тысячи раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Различают 4 уровня упаковки ДНК Нуклеосомный уровень Нуклеосома - это белковая глобула (октаэдр), содержащая по 2 молекулы четырех гистонов - (Н2А, Н2В, Н3, Н4), вокруг которой двойная спираль ДНК образует 2 витка (200 пар нуклеотидов). Нуклеосомная нить имеет d = 10-13 нм. Длина ДНК уменьшается в 5-7 раз. Супернуклеосомный уровень (соленоид) Нуклеосомная нить конденсируется, нуклеосомы соединяются с гистоном Н1, и образуется спираль d = 25 нм. Виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Укорочение ДНП в 6 раз. 25нм 1 Хроматидный уровень Супернуклеосомная нить образует петли и изгибы, составляя основу хроматиды. Обнаруживается в профазе. Диаметр петель = 50 нм, диаметр хроматиды 300нм. Нить ДНП укорачивается еще в 10-20 раз. 25 нм 50 нм 2 1 Уровень метафазной хромосомы Хроматиды образуют еще одну суперспираль и формируют эухроматиновые (слабо спирализованные) и гетерохроматиновые (сильно спирализованные) участки. Две хроматиды образуют хромосому. Толщина плеча хромосомы – 700нм. Укорочение ДНП еще в 20 раз. Общий итог конденсации - 10000 раз Уровни организации наследственного материала: 1. Генный уровень представлен совокупностью генов - элементарных единиц наследственности и изменчивости. Этот уровень объясняет дискретное (независимое) наследование генов (III закон Менделя) и существование генных мутаций. 2. Хромосомный уровень – гены эукариот расположены в хромосомах. Этот уровень организации необходимое условие сцепления генов, кроссинговера и случайного расхождения хромосом и хроматид при мейозе. На этом уровне возникают хромосомные мутации. 3. Геномный уровень – вся совокупность генов в функциональном отношении представляет единое целое и образует генотип (геном). Этот уровень обуславливает внутри- и межаллельное взаимодействие генов, а также геномные мутации. Результатом функционирования генома является формирование фенотипа целостного организма. Свойства гена: специфичность - (структурный ген детерминирует синтез определенного полипептида); • • целостность - (при программировании синтеза полипептида ген выступает как неделимая единица – цистрон); • дискретность - (наличие субъединиц: рекон, мутон); стабильность (гены устойчивы к внешнему воздействию); • • лабильность - (способность мутировать с частотой 1·10-5); Свойства гена: •плейотропия - (один ген детерминирует развитие нескольких признаков); •экспрессивность - (один и тот же ген в разных организмах может иметь различную степень фенотипического проявления); •пенетрантность - (частота фенотипического проявления гена в популяции организмов не всегда равна 100%). Классификация последовательностей ДНК: 1. Уникальные – (1 последовательность в геноме) – входят в состав структурных и функциональных генов, несут информацию о структуре полипептидов. 2. Умеренно повторяющиеся: • Теломеры – ТТАГГГ повторяется 2500 раз на конце каждого плеча хромосомы, не транскрибируются. • Гены тРНК и рРНК (280 копий в 5 хромосомах) • Транспозоны (2500-7000 пн): ДНК транспозоны перемещаются при помощи транспоазы. Ретротранспозоны - при помощи ревертазы. Изменяют локализацию генов. 3. Часто повторяющиеся: •Сателиты – 5-50 пн, до 106 раз образуют центромеры. •Минисателлиты – 12-100 пн, более 1500 повторов. Используются при идентификации личности (генная дактилоскопия). •Микросателлиты – 1-5 пн Повторы ДНК используются для производства генетических маркеров. Ядерный геном: 3,2 млрд пн, ~ 30 000 генов ~ 25% Гены и регуляторные последовательности Внегенная ДНК: теломерная, центромерная, спутничная, сателитная. ~ 10% ~ 60% ~90% Экзоны Некодирующие участки (интроны, спейсеры , промоторы, операторы) Псевдогены Фрагмен- Нетрансты генов лируемые последовательности ~ 75% ~ 40% Уникаль- Умеренно и высоко ные и повторяющиеся мало повторяющиеся Тандемы и кластеры Разбросанные повторы Транспозоны Псевдогены- участки ДНК, сходные по последовательности нуклеотидов с известным геном, но не кодируют ни каких продуктов. Кластеры генов - группы генов, обладающих сходной функцией. Тандемный повтор – множественные, расположенные друг за другом копии определенной последовательности ДНК. Классификация генов по выполняемой функции: Структурные Функциональные Гены-модуляторы гены-регуляторы 1. Структурные гены несут информацию о различных видах РНК, белках гистонах, ферментах и структурных белках. 2. Функциональные гены: •гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов (энхансеры, ингибиторы, интенсификаторы) •гены-регуляторы контролируют работу структурных генов (регуляторы, операторы, промоторы и терминаторы). По месту действия гены подразделяют: 1. Функционирующие во всех клетках (гены, кодирующие ферменты энергетического обмена); 2. Функционирующие в клетках одной ткани (гены, детерминирующие синтез миозина в мышечной ткани) 3. Специфичные для одного типа клеток (гены гемоглобина в незрелых эритроцитах) Генотип соматических клеток одинаков, но клетки разных тканей отличаются В различных клетках работают разные гены в разное время Поле действия гена – область проявления действия гена – (гены, детерминирующие развитие папиллярных узоров на пальцах, ладонях и стопах). Время действия гена - это период его функционирования (гены, детерминирующие синтез половых гормонов, работают с момента полового созревания, а к старости их функция снижается). Регуляция транскрипции у прокариот М. Жакоб, Ж. Моно и А. Львов, 1961 Инициатор Промотор Геноператор Структурные гены А B Терминатор C Единица регуляции транскрипции - оперон, в состав которого входят: 1. Промотор - место прикрепления РНК-полимеразы 2. Ген-оператор - регулирует доступ РНК-полимеразы к структурным генам, взаимодействуя с регуляторными белками 3. Инициатор - место начала считывания генетической информации 4. Структурные гены – определяют синтез белков-ферментов, обеспечивающие цепь последовательных биохимических реакций 5. Терминатор – последовательность нуклеотидов завершающая транскрипцию Ген-регулятор расположен вблизи оперона, он постоянно активен, на основе его информации синтезируется белокрепрессор. Генрегулятор Инициатор Промотор Геноператор Структурные гены А B Терминатор C и-РНК РНКБелокполимераза репрессор Белокрепрессор Белок-репрессор образует химическое соединение с геномоператором, и препятствует соединению РНК-полимеразы с промотором. Главный механизм регуляции активности оперона – индукция Генрегулятор Инициатор Промотор Геноператор Структурные гены А и-РНК C и-РНК РНКБелокполимераза репрессор Белокрепрессор Белокрепрессор связан индуктором B Терминатор Индуктор Белки-ферменты Поступивший в клетку индуктор связывает белок-репрессор и деблокирует ген-оператор. РНК-полимераза осуществляет транскрипцию. В результате транскрипции образуется и-РНК, содержащая информацию обо всех структурных генах оперона (полицистронная и-РНК). Затем начинается трансляция и образуются ферменты, необходимые для метаболизма индуктора. При разрушении индуктора появляется активная форма белкарепрессора, и транскрипция останавливается. Регуляция транскрипции у эукариот Г.П. Георгиев, 1972 год Единица транскрипции - транскриптон, состоящий из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон Неинформативная зона: промотор, инициатор, регуляторные последовательности Информативная зона: структурный ген, имеющий мозаичную экзон-интронную структуру Интроны – вставки из неинформативных участков ДНК Экзоны – последовательности ДНК, содержащие информацию о структуре полипептида Заканчивается транскриптон терминатором Транскриптон Неинформативная зона Генырегуляторы Регуляторные последова- Промотор тельности Информативная зона Экзоны Интроны С т р у к т у р н ы й Инициатор Терминатор г е н Особенности регуляции экспрессии генов эукариот: 1. Работу транскриптона контролируют несколько генов-регуляторов, дающие информацию для синтеза регуляторных белков и факторов транскрипции. 2. Для включения транскриптона необходимо множество регулирующих компонентов, необходимых для сборки транскипционного комплекса. 3. Первичный транскрипт (про-иРНК) содержит информацию об экзонах и интронах. Для его превращения в иРНК необходим процесс созревания. Генырегуляторы Регуляторные последовательности Промотор Экзоны Транскрип РНКционный полимераза комплекс Интроны Терминатор Структурный ген про-и-РНК Регуляторные белки и факторы транскрипции Процессинг – созревание проиРНК Кэп Поли А Моноцистронная и-РНК Сплайсинг расщепление на фрагменты и соединение экзонов Особенности регуляции экспрессии генов эукариот: 4. Процессинг – модификация концов про-и-РНК и сплайсинг. 5. Кэпирование на 5-конце и полиаденилирование на 3-конце. Кэп («шапочка» из трифосфометилгуанозина) и полиадениловый «хвост» защищают иРНК от действия нуклеаз. 6. Сплайсинг – вырезание интронов и стыковка экзонов. 7. Сплайсинг осуществляет сложный комплекс мяРНП и белков, называемых сплайсосомой. Особенности регуляции экспрессии генов эукариот: 8. Образованная иРНК является моноцистронной. 9. Альтернативный сплайсинг – в результате процессинга одного и того же первичного транскрипта, могут образовываться разные иРНК, и, как следствие, синтезироваться разные полипептиды. Небольшая часть генетической информации клетки находится в цитоплазме (плазмогены). Критерии цитоплазматической наследственности: 1. Отсутствие количественного менделевского расщепления. 2. Невозможность выявить сцепление. 3. Различные результаты анализирующих реципрокных скрещиваний. 4. Наследование только по материнской линии (через яйцеклетку). Виды цитоплазматической наследственности: 1. Пластидная наследственность Корренс (1908 г.) на примере пестролистности у ночной красавицы. Вследствие мутации у пестролистных растений часть пластид не способна образовывать хлорофилл. Их пластиды при делении распределяются между дочерними клетками неравномерно. Часть клеток получает только нормальные пластиды (листья зеленые); часть клеток получает только аномальные пластиды (листья, без хлорофилла); часть клеток получает и аномальные и нормальные пластиды (пестрые листья). 2. Митохондриальная наследственность. Эфрусси (1949) обнаружил карликовые колонии хлебных дрожжей – следствие мутаций плазмогенов митохондрий, отвечающих за синтез дыхательных ферментов. Геном митохондрий человека: кольцевая ДНК, содержащая 16569 ПН – 37 генов; гены р-РНК, т-РНК, ферментов энергетического обмена. Мутации митохондриальных генов приводят к митохондриальным цитопатиям: болезнь Лебера (атрофия зрительного нерва), мио-, кардио- и энцефалопатиям и др.). Мутации митохондриальной стареющих и раковых клетках. ДНК обнаруживаются в 3. Псевдоцитоплазматическая наследственность – результат попадания в цитоплазму клеток участков чужеродной ДНК. У мышей есть линии с "наследственной" предрасположенностью к раку молочной железы, которая передается через молоко, в котором есть вирус. При вскармливании здоровых мышей самкой раковой линии (фактор молока) развивается рак.
