ВАЖНЕЙШИЕ ОТКРЫТИЯ ГЕНЕТИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ 1865 – открытие Г. Менделем факторов наследственности

ВАЖНЕЙШИЕ ОТКРЫТИЯ ГЕНЕТИКИ И
МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
1865 – открытие Г. Менделем факторов
наследственности
1868г - открытие ДНК швейцарским врачом Ф.
Мишером из спермы лосося. Он назвал его нуклеином
1871 – Ч.Дарвин опубликовал книгу «Происхождение
человека и половой отбор»
1881 – Кассель получил аденин, гуанин , сахар и
фосфорную кислоту из нуклеина
1900 – формальное рождение генетики. Независимая
публикация статей Г.де Фриза, К. Корренса и Э.
Чермака с изложением основных законов генетики
1902 – В, Саттон и Т.Бовери создают
хромосомную теорию наследственности
1905 – У. Бетсон предложил название генетика
1910 – Т. Морган установил, что гены находятся
в хромосомах. А. Кассель получил Н.П. За
установление того, что в состав нуклеиновой
кислоты входят аденин, гуанин , цитозин и
тимин
1922 – Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологических
рядов о параллелизме в изменчивости родственных групп
растений
1934 – Белозерский обнаружил ДНК в растениях
1931 – Барбара Мак-Клинток продемонстрировала явление
кроссинговера
1938 – Ф. Гриффит открыл феномен трансформации
(невирулентный штамм пневмококков превращался в
вирулентный при смешивании с убитым вирулентным
штаммом)
1940- Дж. Бидл и Э.Татум сформулировали теорию – один ген – один
фермент
1944 – Эвери из Рокфеллеровского института (США) показал, что за
феномен трансформации отвечает ДНК
1950 – Э. Чаргафф сформулировал правило- количество А равно Т,
количество Г равно Ц. Барбара Мак-Клинток показала существование
транспозонов. (Н.П. В 1983 г)
1953 - Джеймс Уотсон и Френсис Крик открыли двойную спираль ДНК
(Н.П. 1962 г).
60 – 70 годы 19 века – сформулированы канонические представления в
молекулярной биологии
1951 – Р.Франклин и М. Уилкинс получили рентгенограмму ДНК
1953 - Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали структурную
модель ДНК - двойную спираль ДНК (Н.П. 1962 г).
1956 г- А. Корнберг открыл ДНК-полимеразуIи механизм
биологического синтеза ДНК и РНК ( Н.П. Совместно с С. Очоа
1959 г)
1958 – М. Мезельсон и Ф. Сталь – полуконсервативный механизм
репликации ДНК
1961 – начата расшифровка генетического кода. Н.П. 1968 г М.У.
Ниренберг, Р.У.Холли, Х.Г.Корана
1962 – Дж. Гердон клонировал лягушку
60 – 70 годы 19 века – сформулированы канонические
представления в молекулярной биологии
1969 – Х.Г.Корана синтезировал химическим путем ген
1970 – открытие обратной транскриптазы. Н.П. 1975 Г.
Темин и Д.Балтимор
1972 –Пол Берг и Г.Бойер – получили первые
рекомбинантные ДНК. Н.П.1980. Заложены основы генной
Инженерии
1973- С. Коэн и Г. Бойер - стратегия переноса генов в
бактериальные клетки
1974 – С. Милстайн и Г. Келер технология получения
моноклональных антител. Н.П. вместе с Н.Ернев 1984
1975 – С. Тонегава показал расположение генов
иммуноглобулинов в ДНК эмбриональных и лимфоинных
клеток (Н.П. 1987)
1977 – У. Гилберт, А.Максам и Ф. Сенгер - быстрые методы
секвенирования ДНК. (Н.П. 1980)
1976 – компания Genentech – перенос гена инсулина человека в
бактериальную клетку
1985 – К.Б. Мюллис – ПЦР
1988 – начало международного проекта «Геном человека»
1995 – определена нуклеотидная последовательность
Haemophilus influenzae. Становление геномики
1997 – открытие прионов С. Прузинер ( Н.П. 2000)
Я. Вильмут клонировал овечку Долли
1998 – определена нуклеотидная последовательность ДНК
Caenorabditis elegans. Феномен РНК-интерференции
1999 – полностью секвенирована 21 хромосома человека
Клонирование мыши и коровы. Открытие оксида азота
как регулятора
2000 – Черновой вариант генома человека и дрозофилы.
Клонирование свиньи
2003 - завершение программы «Геном человека»
Нуклеиновые кислоты
РНК
ДНК
Нуклеотид
Остаток
фосфорной
кислоты
O
HO P O
OH
Пентоза
Азотистое
основание
Нуклеотид
O
HO P O
5’
OH
Фосфат
O
1’
3’
Азотистое основание
(А или Г или Т или Ц
или У)
Пентоза
(рибоза или
дезоксирибоза)
Тимин
Тиминовый нуклеотид
Азотистые основания
Пиримидиновые
Пуриновые
Аденин
NH2
N
А
N
N
H
N
Гуанин
O
N
N
H
NH
N
NH2
Г
Цитозин
NH2
N
N
H
O
Тимин
Урацил
OO
NH
NH
NN
HH
Ц
OO
ДНК
РНК
У
Т
аденин
гуанин
тимин
цитозин
Функции нуклеотидов
 мономеры нуклеиновых кислот
Носители химической энергии в их
легкогидролизуемой фосфоангидридной связи
(АТФ)
С другими группами образуют коэнзимы
(СоА, НАДН)
Сигнальные молекулы сАМР
Цепь ДНК
NH2
O
-
А
N
N
P
O
N
HO
O
O
H
H
NH2
H
H
H
H
H
N
N
O
P
OH
N
N
P
NH2
H
O
H
OH
O
3’
H
H
O
N
N
5’
O-
N
N
N
O
NH2
O
O
5’
O
OH
O
3’
H
Ц
3’ –
H
H
O
H
H
O
H
H
H
H
OH
H
5’-фосфодиэфирная связь
O
P
OH
OH
Динуклеотид
O
Пары оснований
Принцип
строения
ДНК
Водородные связи
А=Т
Г=Ц
!
Правила Чаргаффа
1.
2.
3.
4.
Количество А =Т
Количество Г=Ц
А+Г=Т=Ц кол-во пуринов=кол-ву пиримидинов
Соотношение А+Ц: Г+Т разное у разных ДНК
ДНК
РНК
Большая
бороздка
Малая бороздка
А
Формы ДНК
В
Z
Физические параметры ДНК
Диаметр – 2 нм
Расстояние между парами нуклеотидов – 0,34 нм
1 поворот спирали – 10 пар оснований
Длина ДНК в самой длинной чел хромосоме – 8см, во
всех хромосомах одной клетки 2 м
Длина ДНК в 1 млрд раз больше ширины
В организме человека 5.10 13 – 10 14 клеток поэтому
Общая длина ДНК у человека 10 11 км, т.е. В 1000 раз
больше, чем расстояние от Земли до Солнца.
В гаплоидном наборе человека 3,2 млрд пар нуклеотидов
В ядре 7 пг ДНК
Молекулярная структура хромосом - гигантские
нуклеопротеидные комплексы из ДНК, белков
(гистоны и негистоновые) и РНК
1)Нуклеосомы – 200 п.н. на поверхности
октамера гистонов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4)
2)ДНП фибриллы – 30 нм- за счет ассоциации
октамеров нуклеосом с гистоном Н1. В одном
нуклеомере 6- 10 нуклеосом. Степень
компактизации – 40
3)Петли – по 10-60 тыс. п.н. в виде розетки с
фиксированной плотной центральной зоной.
Это нклеомер. Хромомер, содержит 20-40
нуклеомеров.
4)Домены – хромомеры образуют хромонемы
Нуклеосома состоит из ядра - участка ДНК
147 п.н. закрученной 1 2/3 витка вокруг
гистонового октамера
Октамер включает по 2 молекулы Н2А,
Н2В, Н3 и Н4 внутри и по разные концы
торчат димеры Н2А/Н2В. На входе и
выхоле нуклеосомы соединяются с ДНК по
одному Н1.
Топология ДНК в хромосомах
Некодируюшая ДНК участвует в формировании и
модуляции макроструктуры хромосомы – гетеро- и
эухроматина
При переносе гена в область гетерохроматина
наблюдается его инактивация (эффект положения)
Отдельные участки некодирующей ДНК могут
использоваться как места посадки белков-скрепок,
обеспечивающих различную упаковку хроматина
Компактность генома эукариот
Компактность - другое принципиальное отличие генома
эукариот от прокариотического генома.
При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные
размеры эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК
прокариот.
Выделяют, по крайней мере, 4 уровня компактизации ДНК. При
этом нить ДНК "укорачивается" в 10000 раз.
Это все равно, что нить, длиной с Останкинскую башню (500
м), уложить в спичечный коробок (5см).
Два первых уровня компактизации эукариотического генома
обеспечиваются гистонами.
Общая характеристика гистонов





Гистоны - основные белки.
Все они обогащены лизином и аргинином - положительно
заряженными аминокислотами. Выделяют 5 фракций гистонов.
Нарабатывается их очень много - 60 млн. молекул каждой фракции на
клетку.
Все гистоны, кроме Н1, черезвычайно консервативны в эволюционном
отношении (у коровы и клевера разница в Н2А всего в одну
аминокислоту!). Следовательно, эти белки выполняют
принципиальную функцию, которая у всех эукариот обеспечивается
одинаково.
Любая мутация в гистоновых генах летальна.
Н1 - очень вариабельная фракция. Этот гистон различен не только у
видов, но даже у одного организма, в зависимости от стадий онтогенеза.
В гистонах лизин и аргинин располагаются кластерами. Положительно
заряженные аминокислоты гистонов обеспечивают
электростатические взаимодействия с ДНК.
Гидрофобная часть необходима для взаимодействия гистонов между
собой.
Четыре уровня компактизации ДНК
1. Нуклеосомный уровень.
В основе нуклеосомы лежит гистоновый октамер. Расположение гистонов
не случайно. Каждая молекула представлена дважды. Они образуют кор
(серцевину) нуклеосомы. На кор наматывается ДНК - 1.75 левых витка
спирали.
Нуклеосомой называется повторяющийся структурный элемент
хроматина, содержащий гистоновый октамер и ~180 п.н. ДНК.
Непосредственно с
октамером контактирует 145
п.н. и 20-30-40 п.н. между
нуклеосомными корами.
Нуклеосомный уровень
упаковки свойственен всей
эукариотической ДНК, он
дает укорочение в 7 раз.
Диаметр увеличивается с
20 Å до 110 Å. Гистоновые
октамеры "скользят" по
ДНК.
Нуклеосомы
2. Супербидный, или соленоидный, уровень.



Фактически обеспечивается Н1 гистоном. Н1 взаимодействует с октамерами,
сближает их, и еще на него наматывется ДНК. Образуется супербид.
Происходит сокращение линейного размера ДНК в 6-10 раз. Диаметр
увеличивается до 300Å.
Этот уровень компактизации, как и первый, не зависит от первичной
структуры ДНК.
3. Петлевой уровень.



Обеспечивается негистоновыми белками. Они узнают
определенные последовательности ДНК и связываются с
ними и друг другом, образуя петли по 20-80 тыс. п.н.
Петля обеспечивает экспрессию гена, т.е петля является
не только структурным, но и функциональным
образованием.
Есть участки, в которых нет петель.Укорочение за счет
петель проходит в 20-30 раз. Образуются и петлевые
домены. Диаметр увеличивается до 700Å.
Петли ДНК
4. Метафазная хромосома.


Метафазная хромосома уже удвоена. Она состоит из двух хроматид.
Каждая из них содержит одну молекулу ДНК. Сюда входят белки
ядерной мембраны, серия белковых нитей, сопряженных с ядерной
оболочкой и пронизывающих все ядро.
Чем больше в геноме А-Т пар, тем больше возможностей для изменения
вторичной структуры ДНК. При суперспирализации ДНК А-Т богатые
участки плавятся в первую очередь.
В метафазной хромосоме размер ДНК
уменьшен в 8000 раз
Пространственная организация хромосомных доменов
в ядре
Петли ДНК закреплены на ядерном матриксе. Имеют
участки origin и связаны с топоизомеразой II
Участки прикрепления имеют MAR элементы (matrix
Associated region) и регуляторные элементы генов –
промоторы, энхансеры, сайленсеры, инсуляторы.
Политенные хромосомы
Функция ДНК:
хранение и передача
генетической
информации
в ряду поколений
Функции РНК:
1. Перенос информации от ДНК
к месту синтеза белка
2. Транспорт аминокислот к
месту синтеза белка
3. Создание структур для синтеза
белка
4. Ферментативная активность
РНК
HO
OH
O
Пентоза
H
рибоза
H
H
H
OH
OH
А У Г Ц
Азотистые основания
O
N
NH
N
O
O
O
H
H
O
OH
H
Цепь
NH2
N
O
H
P
NH
OH
N
O
O
H
H
O
OH
H
O
H
P
O
OH
O
одна
Молекулярная структура хромосом - гигантские
нуклеопротеидные комплексы из ДНК, белков
(гистоны и негистоновые) и РНК
1)Нуклеосомы – 200 п.н. на поверхности
октамера гистонов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4)
2)ДНП фибриллы – 30 нм- за счет ассоциации
октамеров нуклеосом с гистоном Н1. В одном
нуклеомере 6- 10 нуклеосом. Степень
компактизации – 40
3)Петли – по 10-60 тыс. п.н. в виде розетки с
фиксированной плотной центральной зоной.
Это нклеомер. Хромомер, содержит 20-40
нуклеомеров.
4)Домены – хромомеры образуют хромонемы
Топология ДНК в хромосомах
Некодируюшая ДНК участвует в формировании и
модуляции макроструктуры хромосомы – гетеро- и
эухроматина
При переносе гена в область гетерохроматина
наблюдается его инактивация (эффект положения)
Отдельные участки некодирующей ДНК могут
использоваться как места посадки белков-скрепок,
обеспечивающих различную упаковку хроматина