Организация наследственного материала II

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.