Историю взглядов на единицы наследственности (гены), открытые Менделем, можно условно разделить на несколько периодов. В соответствии с «классической» точкой зрения, которая превалировала в 30-е гг. XX в., ген рассматривали как неделимую единицу генетической передачи, функции, мутации и рекомбинации. Начиная с 1940-х гг., в связи с установлением генетической роли ДНК, формируется «неоклассическая» концепция, согласно которой ген (цистрон) представляет собой участок молекулы ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, определяющей первичную структуру синтезируемой молекулы мРНК и соответствующего полипептида либо одиночной молекулы тРНК или рРНК. При этом ген подразделяется на свои составные части в виде элементарных единиц мутации (мутонов) и рекомбинации (реконов), которые могут быть идентифицированы как определенные участки полинуклеотида. Гены, детерминирующие структуру полипептидов и молекул РНК, получили название структурных генов. Современный период понимания гена, начавшийся с 1970-х гг., связан с появлением новых знаний о прерывистой («мозаичной») структуре генов эукариот и ряде других особенностей генетической организации различных организмов (перекрывающиеся гены, повторяющиеся гены, псевдогены, мобильные гены и др.).
В рамках классической (формальной) генетики принято рассматривать ген как структурную единицу, детерминирующую элементарный признак (фен) организма. Совокупность всех генов отдельного организма (индивидуума) называют его генотипом, а совокупность признаков - фенотипом. Термином геном принято обозначать совокупность всех генетических элементов (ДНК хромосом, митохондрий, плазмид и др.), являющихся постоянными для организмов данного вида. Следует заметить, что размеры геномов (количества геномной ДНК либо РНК у соответствующих вирусов) имеют существенные различия у организмов, относящихся к разным уровням организации живой материи (вирусы, бактерии, эукариоты).
В соответствии с современными представлениями большинство структурных генов прокариот (бактерий) представлено непрерывными участками молекулы ДНК, вся информация которых используется при синтезе кодируемых полипептидных цепочек. Следовательно, генетическая информация прокариотического гена реализуется полностью. У некоторых мелких вирусов была обнаружена необычная структурно-функциональная организация генетического материала в форме перекрывающихся генов (по принципу «ген в гене»), которая позволяет осуществлять еще более экономное использование имеющихся весьма ограниченных информационных возможностей генома. Так, некоторые участки ДНК одного из самых мелких бактериофагов фХ174 содержат информацию не одного, а одновременно двух различных генов, что позволяет геному столь малых размеров кодировать не менее девяти различных белковых молекул. Считывание информации перекрывающихся генов начинается с разных стартовых точек одной и той же нуклеотидной последовательности, т.е. имеются различные рамки считывания этой последовательности.
В отличие от прокариот для эукариот типичным является прерывистый характер структурно-функциональной организации генов. Информация такого гена о структуре синтезируемого полипептида существует не в виде непрерывной нуклеотидной последовательности определенного участка молекулы ДНК, а в форме кодирующих фрагментов (экзонов ), которые прерываются (разделяются) «неинформативными» нуклеотидными последовательностями (интронами ), не принимающими прямого участия в кодировании этого полипептида. Следовательно, гены различных эукариотических организмов представляют собой мозаику из нескольких чередующихся в определенном порядке экзонов и нитронов. Размеры нитронов в составе таких генов колеблются от десяти до более чем 1000 пар нуклеотидов. Предполагается, что интроны могут играть роль в регуляции процессинга РНК, который будет обсуждаться далее. Имеются данные, позволяющие считать, что они, вероятно, существенно влияют на процессы рекомбинации между гомологичными генами. Известна также гипотеза о том, что по интронным участкам относительно легко и часто могут рекомбинироваться гены разных белков либо гены, детерминирующие белки одного семейства, но накопившие разные мутации. Можно полагать, что такие свойства нитронов должны ускорять эволюцию белковых молекул, облегчая процессы эволюции эукариот в целом, что дает им значительные преимущества по сравнению с прокариотами. В качестве «эволюционного резерва» эукариот можно, вероятно, рассматривать и обнаруживаемые в их геномах псевдогены, которые представляют собой нуклеотидные последовательности ДНК, гомологичные последовательностям известных (функционирующих) генов, но по тем или иным причинам не проявляющие информационной активности, т.е. не дающие конечного зрелого продукта.
Одной из особенностей генетической организации эукариот является также присутствие в их геномах значительного числа повторяющихся генов, кодирующих первичную структуру тРНК, рРНК, белков-гистонов и др., а также иных (менее протяженных и не всегда идентифицированных в плане функциональной значимости) повторяющихся последовательностей ДНК, количество копий которых может варьировать от единиц до нескольких тысяч и более. Например, в гаплоидном геноме человека, содержащем около 3 х 10 9 пар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности ДНК составляют примерно 30%, тогда как остальные 70% генома представлены «уникальными» последовательностями, которые существуют в единичных копиях.
В геномах различных организмов (прокариот и эукариот) обнаружены также мобильные (транспозируемые) гены, роль которых будет описана далее.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
- 1. Вычислите линейные размеры (в парах нуклеотидов и в единицах длины) бактериального гена, кодирующего полипептид, состоящий из 100 аминокислотных остатков.
- 2. Объясните причину ситуации, при которой ген эукариотической клетки, занимающий участок ДНК размером в 2400 пар нуклеотидов, кодирует полипептид, состоящий из 180 аминокислотных остатков.
- 3. Составьте схему прерывистой структуры гипотетического гена, состоящего из пяти экзонов и четырех нитронов и кодирующего полипептид, включающий 300 аминокислотных остатков (относительные размеры отдельных экзонов и нитронов можно выбрать произвольные).
Организация генома
Исследование эволюции и построение гипотез относительно механизмов эволюционных изменений в настоящее время трудно представить без привлечения генетики. В начале двадцатого века именно использование генетических методов обеспечило прорыв в эволюционных исследованиях и подъём их на качественно новый уровень.
Эволюционные концепции Ламарка и Дарвина базировались на исследовании внешних признаков и свойств живых организмов, предположения о механизме их наследования носили умозрительный характер. Представление о материальных носителях наследственности сводилось к принципу непрерывности, аналогу жидкости, способной к бесконечному разбавлению, несмотря на известные достаточно красноречивые факты, явно указывающие на дискретный характер наследования некоторых признаков по хорошо изученным родословным знатных фамилий Европы, степень выраженности которых не изменялась на протяжении поколений.
Эти взгляды на наследственность были тесно связаны с представлениями о безграничной и ненаправленной изменчивости признаков и свойств живого, которая возникала как приспособительная реакция на воздействия внешних факторов. Подобные представления о характере наследственности и изменчивости, в общем, разделял и Ч. Дарвин, что нашло отражение в его концепции пангенеза.
Основы генетики, науки о наследственности, были заложены исследованиями каноника монастыря г. Брно, Чехия, Грегора Менделя. Он впервые экспериментально доказал дискретность наследования признаков и их независимое распределение среди потомков при возвратных скрещиваниях в последующих поколениях. Его работы опередили время и были признаны лишь в начале 20 века, спустя 25 лет после опубликования.
В этот период были сформулированы представления о мутациях как дискретных наследуемых изменениях свойств организмов (Г. де Фриз), представления о генах как единицах наследственности (В. Иогансен) без указания на их локализацию в клетке. Было введено также понятие "генотип " для обозначения наследственной конституции гамет и зигот в противоположность фенотипу – совокупности внешних, доступных непосредственному наблюдению признаков и свойств живых организмов.
В дальнейшем работами американских генетиков школы Моргана было установлено линейное расположение генов как локусов хромосомы в хромосомах ядра, явление рекомбинации генов между гомологичными хромосомами в результате генетического кроссинговера в процессе мейоза. Эти и другие работы послужили основой для формирования хромосомной теории наследственности, согласно которой материальными носителями свойств и признаков организмов служат дискретные элементы (локусы) хромосом.
До 50-х годов ХХ века молекулярная природа генов оставалась неизвестной. И лишь в 1953 г. была расшифрована структура ДНК и высказана гипотеза о её роли хранителя наследственной информации, принципах её кодирования и реализации при синтезе белка. Была сформулирована «центральная догма» генетики, воплотившая в молекулярной форме положение Вейсмана о невозможности передачи информации от зародышевой плазмы соматическим клеткам. Согласно ей наследственная информация может быть передана только в направлении ДНК→РНК→белок. На протяжении двух десятилетий были расшифрованы молекулярные механизмы передачи и реализации генетической информации в клетке, в результате хромосомная теория наследственности получила молекулярное обоснование. Считались доказанными: неизменное положение генов в хромосоме, однозначена связь гена и кодируемого им продукта (один ген – один фермент), функциональная активность всей ДНК в хромосомах ядра, зависимость сложности и уровня организации объектов от количества ДНК . Основные положения генетики этого периода отражены в таблице 4.1.
Таблица 4.1. Изменение представлений о структуре и функции генетического материала (Голубовский, 2000)
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯОБ ОРГАНИЗАЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИИ
ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
Лектор
Зав.курсом мед.генетики ГОУ ВПО СОГМА Росздрава
Доцент Гетоева Залина Казбековна
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Геном и геномика: определение понятий.2. Организация генома человека:
- ДНК, как носитель генетической информации: строение, свойства,
принципы кодирования, репликации, мутирования, репарации и
компактизации в клетке;
- ген: представления об организации и функционировании;
- этапы реализации генетической информации;
- многообразие и классификация генов человека;
- принципы формирования хромосомы, морфология хромосом, кариотип;
- механизмы постоянства числа хромосом и равномерность передачи
генетической информации при делении клеток и размножении
организмов.
3. Общая характеристика генома человека.
- размеры, состав и топография элементов генома;
- сранительная характеристика ядерного и митохондриального геномов
- многообразие нуклеотидных последовательностей.Вопрос 1
Геном и геномика:
определение понятий.
По мере накопления научных сведений о природе генетической информации, менялось как само определение понятия «геном», так и
представления о принципах его организации ифункционирования у различных биологических объектов.
ГЕНОМ
- это полный набор генетической информации любой биологической
системы (таксона, вида, организма, клетки);
- это качественный набор генов, содержащихся в гаплоидном наборе
хромосом клеток определенного биологического вида;
- это вся совокупность нуклеотидных последовательностей клетки
определенного биологического вида;
- это полный состав ДНК организма (его клетки), включая всю
совокупность генов и межгенных участков, содержащий полный набор
инструкций для формирования и функционирования организма на
всех стадиях его онтогенеза.Понятия «ГЕНОМ» и «ДНК» тождественны, т.е.
ГЕНОМ = ДНКГеномика
– это система научных знаний в области
молекулярной генетики и молекулярной медицины,
изучающая общие закономерности организации и
функционирования геномов различных биологических
систем и индивидуальные особенности геномов
отдельных организмов.
Основные методы геномики:
секвенирование, картирование и идентификация
генов и внегенных элементов генома.Геномика
включает несколько самостоятельных направлений изучения геномов:
-
Структурная геномика - изучает последовательность нуклеотидов в
-
Функциональная геномика, или Протеомика, исследует
-
Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации
-
Эволюционная геномика выясняет пути эволюции геномов,
-
Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и
геноме, определяет границы и тонкую структуру генов, межгенных участков и
других структурных элементов генома, т.е. составляет физические и
транскриптные карты организма;
фенотипические проявления каждого участка генома и каждого гена, их
взаимодействие с другими компонентами клетки (полипептидами, протеинами,
сложными белками и белковыми ансамблями);
геномов разных организмов с целью изучения общих закономерностей их
строения и функционирования;
происхождение генетического и биологическогоразнообразия, уточняет нюансы
расообразования, этногенеза, миграции населения и эволюции наследственной
патологии человека;
профилактической медицины на основе знаний геномов человека и патогенных
для него организмов – вопросы генодиагностики, генотерапии и т.д.ГЕНОМИКА ЧЕЛОВЕКА
изучает геном человека на всех уровнях его организации:
от компонентов нуклеотида, нуклеотидов, кодонов,
частей гена, отдельных генов, межгенных и регуляторных
последовательностей до сложных комплексов генов,
локусов и плеч хромосом, хромосом и целых
хромосомных наборов, включая так же элементы
внехромосомной и внеядерной ДНК.Вопрос №2
Организация генома человека.
ДНК, как носитель генетической информации: строение,
свойства, принципы кодирования, репликации,
мутирования, репарации, реализации и компактизации
генетической информации.ДНК – носитель генетической информации
у большинства живых организмов и человека,
может существовать в нескольких формах: А, В, С, Д, Е, Z.
Z-форма: зигзагообразная, с
чередованием право- и левозакрученных
участков, обнаруживается в условиях
высокой концентрации солей, участвует в
регуляции экспрессии генов и рекомбинации
ДНК.
А-форма выявляется в более
обезвоженных средах
и при низком содержании
ионов калия и натрияМодель Дж. Уотсона – Ф. Крика, 1953г.:
В - форма молекулы ДНК имеет вид правозакрученной спирали,
состоящей из 2-х закрученных вокруг воображаемой центральной оси
полинуклеотидных цепей, соединенных между собой по принципам:
комплементарности и антипараллельности.В состав ДНК входят 4 вида нуклеотидов дезоксирибонуклеотидов:
Адениловый, Тимидиновый, Цитозиновый, Гуаниновый
Дезоксирибонуклеотид:
- остаток фосфорной кислоты,
- 5-ти углеродный сахар
(2-дезоксирибозу),
- азотистое основание
Азотистые основания:
Пуриновые – Аденин, Гуанин
Пиримидиновые – Тимин, Цитозин
Нуклеозид:
соединение азотистого основания
с дезоксирибозойПорядок формирования полинуклеотидной цепи
Фермент – ДНК-полимераза
Связь – фосфо-ди-эфирная
или 5 – 3 связь
Полинуклеотидная цепь – полярна:
5 - фосфатный конец
3 – гидроксильный конец
Полинуклеотидная цепь - сахарофосфатный
остов, на котором сидят азотистые основания,
число, состав и порядок расположения
которых уникален для каждой молекулыПорядок формирования молекулы ДНК
Состав:
2 полинуклеотидные цепи
Принципы:
Комплементарности – формирование
пурин-пиримидиновых пар между
строго определенными нуклеотидами
или их аналогами - А-Т, А-У, Г-Ц.
Антипараллельности –
противоположное направление 3-5
связей в комплементарных цепях.
Связи:
водородные - пурин-пиримидиновые
пары А=Т, Г=Ц,
гидрофобные взаимодействия
Спирализация:
самопроизвольная, право закрученная
за счет смещения одной пары
нуклеотидов относительно следующей
на 36 оПараметры молекулы ДНКСвойства молекулы ДНК
как вещества наследственности и изменчивости
а. Хранит генетическую информацию, используя для этого язык в виде
последовательности нуклеотидов – генетической код.
б. Способна к самоудвоению – репликации.
в. Способна изменяться самопроизвольно или под действием
факторов внутренней среды организма и окружающей среды.
г. Способна к репарации – исправлению части возникающих изменений
и восстановлению целостности структуры.
д. Способна изменять степень своей компактизации, или спирализации.
е. Служит матрицей в процессах реализации генетической
информации.
ж. Обеспечивает передачу генетической информации в процессе
клеточного деления и размножения организмов.а. Кодирование генетической информации
Генетическая информация это информация о последовательности аминокислот
в молекулах пептидов, полипептидов и белков организма.
Генетический код –
это система записи генетической информации
на молекуле ДНК в виде последовательности нуклеотидов.
Сущность генетического кода была полностью раскрыта группой
молекулярных биологов под руководством профессора Георгия
Гамова в лаборатории Ниренберга
(США, Национальный институт здоровья, 1965 г.)Свойства генетического кода.
Триплетность:
минимально информативной является последовательность
из 3-х следующих друг за другом нуклеотидов:
триплетов ДНК (или кодонов иРНК).
Код включает 64 триплета (или кодона иРНК).
Однозначность, или специфичность:
триплет имеет только один биологический смысл.
3 – некодирующие
выполняют функцию точек окончания информации,
называются также стоп-триплетами, или триплетами терминации:
АТТ (УАА), АТЦ (УАГ), АЦТ (УГА)
61 – кодирующие
выполняют функцию кодирования 20 аминокислот.
1 триплет = 1 аминокислота
Уникальные триплеты - в единственном числе кодируют
аминокислоты и одновременно являющиеся стартовыми триплетами,
т.е. запускающими синтез белка.
ТАЦ (АУГ) - метионин и АЦЦ (УГГ) - триптофанСвойства генетического кода
Вырожденность:
большинство аминокислот кодируется 2 и большим числом триплетов
ДНК, или кодонов иРНК, называемых триплетами (кодонами)синонимами, различающимися между собой составом третьего, реже –
первого нуклеотида.
Фенилаланин:
Глицин:
Лейцин:
ААА (УУУ)
ЦЦА (ГГУ)
ААТ (УУА)
ААГ (УУЦ)
ЦЦГ (ГГЦ)
ААЦ (УУГ)
ЦЦТ (ГГА)
ГАА (ЦУУ)
ЦЦЦ (ГГГ)
ГАГ (ЦУЦ)
ГАТ (ЦУА)
ГАЦ (ЦУГ)
Универсальность:
у всех живых организмов на Земле одни и те же триплеты ДНК
кодируют одинаковые аминокислоты.
Исключения имеются в коде митохондрий.Свойства генетического кода.
Непрерывность:
начиная с первого нуклеотида в составе стартового триплета все
последующие триплеты считываются без остановок до точки
терминации.
Неперекрываемость:
триплеты считываются последовательно и каждый нуклеотид
может входить в состав только одного триплета.
Колинеарность:
последовательность аминокислот в белке или полипептиде строго
соответствует последовательности триплетов нуклеотидов в
кодирующем этот пептид фрагменте ДНК.
Таблица генетического кода для ДНК и иРНК
Первоеоснование ДНК
(иРНК)
А (У)
Г (Ц)
Т (А)
Ц (Г)
Второе основание ДНК (иРНК)
А (У)
Г (Ц)
Т (А)
Ц (Г)
Третье
основание ДНК
(иРНК)
ААА (УУУ) Фен
АГА (УЦУ) Сер
АТА (УАУ) Тир
АЦА (УГУ) Цис
А (У)
ААГ (УУЦ) Фен
АГГ (УЦЦ) Сер
АТГ (УАЦ) Тир
АЦГ (УГЦ) Цис
Г (Ц)
ААТ (УУА) Лей
АГТ (УЦА) Сер
АТТ (УАА) Стоп
АЦТ (УГА) Стоп
Т (А)
ААЦ (УУГ) Лей
АГЦ (УЦГ) Сер
АТЦ (УАГ) Стоп
АЦЦ (УГГ) Трп
Ц (Г)
ГАА (ЦУУ) Лей
ГГА (ЦЦУ) Про
ГТА (ЦАУ) Гис
ГЦА (ЦГУ) Арг
А (У)
ГАГ(ЦУЦ) Лей
ГГГ (ЦЦЦ) Про
ГТГ (ЦАЦ) Гис
ГЦГ (ЦГЦ) Арг
Г (Ц)
ГАТ (ЦУА) Лей
ГГТ (ЦЦА) Про
ГТТ (ЦАА) Глн
ГЦТ (ЦГА) Арг
Т (А)
ГАЦ (ЦУГ) Лей
ГГЦ (ЦЦГ) Про
ГТЦ (ЦАГ) Глн
ГЦЦ (ЦГГ) Арг
Ц (Г)
ТАА (АУУ) Иле
ТГА (АЦУ) Тре
ТТА (ААУ) Асн
ТЦА (АГУ) Сер
А (У)
ТАГ (АУЦ) Иле
ТГГ (АЦЦ) Тре
ТТГ (ААС) Асн
ТЦГ (АГЦ) Сер
Г (Ц)
ТАТ (АУА) Иле
ТГТ (АЦА) Тре
ТТТ (ААА) Лиз
ТЦТ (АГА) Арг
Т (А)
ТАЦ (АУГ) Мет
ТГЦ (АЦГ) Тре
ТТЦ (ААГ) Лиз
ТЦЦ (АГГ) Арг
Ц (Г)
ЦАА (ГУУ) Вал
ЦГА (ГЦУ) Ала
ЦТА (ГАУ) Асп
ЦЦА (ГГУ) Гли
А (У)
ЦАГ (ГУЦ) Вал
ЦГГ (ГЦЦ) Ала
ЦТГ (ГАЦ) Асп
ЦЦГ (ГГЦ) Гли
Г (Ц)
ЦАТ (ГУА) Вал
ЦГТ (ГЦА) Ала
ЦТТ (ГАА) Глу
ЦЦТ (ГГА) Гли
Т (А)
ЦАЦ (ГУГ) Вал
ЦГЦ (ГЦГ) Ала
ЦТЦ (ГАГ) Глу
ЦЦЦ (ГГГ) Гли
Ц (Г)
б. Репликация, или редупликация ДНК: процесс самоудвоения молекулы ДНК, который осуществляется в синтетическом периоде
интерфазы митотического (клеточного) циклапри участиии специальных ферментов.
по полуконсервативному механизму
на основе реакций матричного синтеза,
когда каждая из цепей материнской молекулы ДНК
служит матрицей для сборки новой (дочерней) цепи.
Из одной молекулы ДНК образуются две идентичные молекулы,
каждая из которых содержит
старую (материнскую) и новую (дочернюю) цепи.
Количество ДНК в клетке удваивается,
а качество заключенной в ней информации не меняется.
Этапы репликации ДНК
1.2.
3.
4.
5.
Раскручивание супервитков молекулы ДНК (фермент
топоизомераза).
Разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми
основаниями, разделение цепей и формирование репликативной
вилки (фермент – геликаза);
Удержание молекулы ДНК в одноцепочечном состоянии (ДНКдестабилизирующие белки - SSB);
Сборка новых цепей на матрицах материнских (ферменты – РНКполимеразы или праймазы, ДНК-полимеразы I, II и III):
- непрерывно на матрице лидирующей материнской цепи с
направлением фосфодиэфирных связей от 3 к 5 концу с
использованием одной РНК-затравки, или праймера, и ферментов
РНК-полимеразы и ДНК – полимеразы I.
- фрагментарно на матрице отстающей материнской цепи с
направлением фосфодиэфирных связей от 5 к 3 концу в виде
относительно коротких участков длиной 1000-2000 нуклеотидов –
фрагментов Оказаки, с использованием для каждого фрагмента
собственной РНК-затравки, РНК-полимераз, ДНК-полимеразы II
Деградация и удаление РНК-затравок и сшивание фрагментов
Оказаки между собой (ДНК-полимераза I, ДНК-лигаза).
Схема репликации ДНК
1. Относительно низкая скорость репликации. 2. Каждая молекула ДНК имеет несколько мест репликации – репликонов, т.е.
Особенности репликации ДНК у человека:1. Относительно низкая скорость репликации.
2. Каждая молекула ДНК имеет несколько мест репликации
– репликонов, т.е. полирепликонна.
3. Реплиация каждой молекулы ДНК происходит до тех
пор, пока соседние репликоны не соединятся.
4. Разные молекулы ДНК реплицируются в разное время, с
разной скоростью и в разной последовательности.
5. К концу S-периода вся ДНК клетки должна удвоиться.
в. Способность ДНК изменяться, или мутировать
Изменчивость – неотъемлемое свойство живых организмов.Изменения, происходящие на уровня ДНК, условно принято
делить на: полиморфизмы, вариации, предмутации и мутации.
Полиморфизмы – изменения, происходящие на уровне
некодирующих последовательностей ДНК.
Вариации - изменения, происходящие на уровне
факультативных последовательностей ДНК.
Предмутации – изменения, происходящие на уровне
кодирующих последовательностей ДНК, но затрагивающие лишь одну из ее
цепей.
Мутации (истинные) – это изменения генетической информации,
затрагивающие обе цепи ДНК, приводящие к появлению новых вариантов
генов (аллелей) и новых вариантов фенотипических признаков.Изменения в ДНК возникают при нарушении процессов репликации,
рекомбинации и репарации, т.е. являются ошибками репликации, ошибками
рекомбинации и ошибками репарации.
Изменения в ДНК могут возникать спонтанно (т.е. на фоне
относительно нормального функционирования организма при нормальных
условиях внешней и внутренней среды) или индуцированно (т.е. под
действием вредных мутагенных факторов внешней или внутренней среды).
Мутагенные факторы могут иметь физическую, химическую или
биологическую природу.
Эффект мутагенов, риск и частота возникновения мутаций зависят не
только от вида мутагена, его мутагенной активности, дозы и продолжительности
воздействия, но и от эффективности работы генетически детерминированной
системы детоксикации организма.
Возникающие в ДНК изменения могут носить преходящий характер и
восстанавливаться, либо быть стойкими.
Изменения генетической информации - основа генетического
полиморфизма вида, генетической уникальности индивида, наследственной
патологии, наследственной предрасположенности, канцерогенеза и
некоторых иных форм патологии человека.г. Репарация способность ДНК восстанавливать структуру.
Репарации подлежат состояния молекулярной гетерозиготности,
или предмутации, при которых изменения затрагивают лишь одну из
цепей молекулы ДНК.
Различают несколько основных механизмов репарации ДНК:
1. Фотореактивация.
2. Темновая, или эксцизионная репарация.
3. Пострепликативная (рекомбинационная) репарация.
4. SOS – репарация.Фотореактивация – восстановление под действием видимого
света изменений типа тиминовых димеров (Т=Т), возникающих в ДНК клеток,
подвергнутых УФ-излучению.; обеспечивается светозависимым
фотореактивирующим ферментом, который расщепляет тиминовые
димеры.
Темновая, или эксцизионная репарация – не нуждается
в энергии видимого света, осуществляется за счет действия ферментов
(эндонуклеаза, экзонуклеаза, или рестриктаза, ДНК-полимераза,
лигаза), поэтапно: выстригание измененного участка цепи, синтез фрагмента
на матрице нормальной цепи, сшивание восстановленного фрагмента с
остальной цепью.
Пострепликационная, или рекомбинационная репарация –
осуществляется в синтетическом периоде интерфазы митотического цикла
клетки и заключается в том, что участки ДНК, имеющие тиминовые димеры не
реплицируются, оставляя бреши на комплементарной цепи молекуля ДНК,
которые восстанавливаются (т.е. достраиваются) в ходе премитотического
периода с соблюдением принципов комплементарности к участку здоровой цепи.
SOS-репарация - механизм восстановления крупных брешей в цепи
ДНК без соблюдения принципа комплементарности в целях сохранения
целостности молекулы.Схемы механизмов репарациид. Способность ДНК изменять степень своей
компактизации
В зависимости от степени компактизации, или спирализации,
на разных фазах митотического цикла клетки ДНК приобретает
разные переходящие друг в друга формы структурной организации:
на стадии интерфазы – хроматиновую, а стадии митоза - хромосомную.
Хроматин – дезоксирибонуклеопротеидный комплекс, в составе
которого ДНК относительно деспирализована, доступна для ферментов,
обеспечивающих считывание заключенной в ней информации.
Хромосомы – дезоксирибонуклеопротеидные структуры, в составе
которых ДНК максимально спирализована и компактна, что обеспечивает
возможность ее равномерного распределения между дочерними клетками.
ИНТЕРФАЗА
ХРОМАТИН
МИТОЗ
ХРОМОСОМЫУровни компактизации ДНК в составе хроматина
Эухроматин Гетерохроматин
Факультативный
1 уровень
нуклеосомный
2 уровень
соленоид, или
хроматиновая
фибрилла
3 уровень
петельные
домены
КонститутивныйКомпоненты нуклеосомыФормирование митотической хромосомыСтроение митотической (метафазной) хромосомы.
Каждая молекула ДНК формирует свою хромосому.
Митотическая хромосома состоит из 2-х хроматид.
Каждая хроматида – 1 молекула ДНК.
Хроматиды 1 хромосомы – 2 идентичные молекулы ДНК, образовавшиеся в
результате репликации.
Число хромосом в клетке равно числу молекул ДНК в ней.
Разные хромосомы различаются по форме, длине,
количеству, набору и порядку расположения генов.Кариотип – это совокупность
хромосом клеток определенного биологического вида
Кариотипы разных биологических видов различаются числом, формой и
размерами хромосом.
Хромосомный набор вида Homo sapiens содержит 23 пары хромосом.
В соматических клетках человека хромосомный набор
парный (диплоидный – 2n), в половых – одинарный (гаплоидный - n).
Хромосомы одной пары одинаковы по размерам, форме, набору и порядку
расположения генов, называются гомологичными, а не идентичными,
поскольку имеют разное происхождение (1 – отцовская, 2 - материнская), а
следовательно – разный набор аллелей генов.
Гомозиготность
Гетерозиготность
Кариотип – характеристика видовая, поддерживается постоянным в ряду
поколений клеток и организмов благодаря механизмам митоза, мейоза и
оплодотворения (при половом размножении).Хромосомный набор человека
Классификации хромосом:
Денвер (США) – 1960г.
Лондон (Великобритания) – 1963г.
Чикаго (США) – 1966г.
Группа А: 1– 3 пары аутосом
самые большие мета- и субметацентрики
Группа В: 4 - 5 пары аутосом
большие субметацентрики
Группа С: 6-12 пары аутосом+ Х-хромосома
средние субметацентрики
Группа D: 13-15 пары аутосом
большие акроцентрики
Группа Е: 16-18 пары аутосом
малые субметацентрики
Группа F:19-20 пары аутосом
малые метацентрики
Группа G: 21-22 пары аутосом + У-хромосома:
малые акроцентрикиж. Способность обеспечивать равномерность
передачи генетической информации
в процессах клеточного деления и размножения организмов
Конъюгация
гомологичных хромосом образование бивалентов
Хромосомы
располагаются
по-отдельности
Расходятся
хроматиды
Вдоль веретена деления
располагаются
биваленты
Расходятся целые
гомологичные хромосомы
Образуются незрелые
половые клетки с n числом
2-хроматидных хромосом
Происходит II деление –
митозе. Способность ДНК служить матрицей в процессах
реализации генетической информации.
Реализация генетической информации - это сложный неоднозначный
процесс, в осуществлении которого принимают участие:
фрагменты молекулы ДНК – гены (гены белков, гены рРНК, гены тРНК),
источники энергии (АТФ, ГТФ),
предшественники рибонуклеотидов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ),
рибосомы, разнообразные тРНК,
многочисленные ферменты, специфические факторы контроля и регуляции,
аминокислоты, витамины, ионы металлов и т.д.
Фрагмент спирали ДНК
Рибосома
Аминоацил-тРНК
комплексГЕН:
представления о организации и функционированииЕдиницей генетической информации является
ген.
Ген – это участок молекулы ДНК, представляющий собой
определенную последовательность определенного числа нуклеотидов,
которая содержит информацию о возможности формирования
определенного признака и определенной функции в организме или
обеспечивает возможность реализации информации с другого гена.
Ген – это определенная (прерывистая или непрерывная)
последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая информацию об
определенном продукте (полипептиде, рРНК, тРНК), ассоциированная с
регуляторными последовательностями, взаимодействующая с белкамирегуляторами и обеспечивающая возможность формирования признака в
организме.Организация гена у эукариот
(5 – 3 кодогенная цепь ДНК)
- Большинство генов человека имеет интрон-экзонную структуру.
- Каждый ген имеет определенное количество интронов и экзонов.
- Количество и размеры интронов и экзонов у разных генов различны.
- Суммарные размеры интронов значительно превышают размеры экзонов.
- Каждый ген начинается и заканчивается экзонами.
- На границе экзонов и интронов располагается консенсусная, т.е.
эволюционно консервативная последовательность, которая
распознается ферментами сплайсинга, осуществляющими вырезание
интронов из первичного РНК-транскрипта.Этапы реализации генетической информации,
или экспрессия генаПроцесс реализации генетической информации, или экспрессия гена
осуществляется в несколько этапов,
часть из которых происходит в ядре, а часть – в цитоплазме:
В ядре:
Транскрипция
Инициация
Элонгация
Терминация
Посттранскрипционный
процессинг
Сплайсинг
Транспорт иРНК из ядра в цитоплазму
В цитоплазме:
Трансляция
Инициация
Элонгация
Терминация
Посттрансляционные
преобразованияСтруктура гена β-глобина человека и его экспрессияМолекула β-глобина человека
Первичная структура - последовательность из 146 аминокислот.Многообразие и классификация
генов человекаПо данным программы «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»
в геноме человека насчитыаается чуть более
30 000 генов.Классификация
1. По структуре:
Содержащие интроны
2. По размерам:
Малые Средние
100 – 5000
5000 – 50 000
Не содержащие интронов
Большие
Гигантские
50 000-150 000
200 000 – 1 000 000
пар нуклеотидов
3. По локализации в хромосоме:
Одиночные
разделены спейсерами
генов человека
Супергигантсткие
более 1 000 000
Сгруппированные
кластеры
(группа последовательно расположенных генов,
занимающих определенный район ДНК или хромосомы,
кластер α-глобиновых и β-глобиновых генов)
супергены
(кластер из большого числа генов, кодирующих
функционально или родственно-связанные белки,
расположенные в сегментах некоторых хромосом,
суперген HLA комплекса)
семейства генов
(группа эволюционно родственных генов,
кодирующих продукты с близкими функциями, могут
располагаться в разных частях генома,
семейство глобиновых генов – α, β, γ, δ, ε, ζ –глобины)Кластерная локализация глобиновых генов человека4. По числу копий и значимости генного продукта:
Гены «домашнего хозяйства»
«house keeping gens»
Гены «роскоши»
«luxury gens»
десятки и сотни копий
единицы копий
кодируют общеклеточные
структуры и функции
кодируют тканеспецифические
структуры и функции
работают в большинстве клеток
и постоянно
работают в определенных клетках
на определенных этапах онтогенеза
5. По состоянию активности:
Активные
(транскрибируемые,
экспрессирующиеся)
Неактивные
(нетранскрибируемые,
неэкспрессирующиеся)
Псевдогены6. По функции:
Структурные
Гены тРНК
Гены рРНК
Гены белков
Регуляторные
С неизвестной функцией
Регуляторы активности других генов
(промоторы, энхарсеры, сайленсеры, мутаторы)
Регуляторы онтогенеза
Регуляторы клеточного размножения (протоонкогены)
- ферментов (более 30%)
- модуляторов белковых функций
(активаторов, стабилизаторов, конформаторов и т.д.)
- гистонов и трансрипционных факторов
- белков внутри- и внеклеточного матрикса
- трансмембранных переносчиков и каналов
- клеточных сигналов, олигопептидов, гормонов
- экстраклеточных переносчиков
- иммуноглобулиновВопрос №3
Общая характеристика генома
человека:
размеры, состав и топография элементов.Геном –
это вся совокупность нуклеотидных последовательностей ДНК
клетки, или организма.
Размеры генома оцениваются по весу и по длине.
Вес суммарной ДНК
6 пикограммов (пк), т.е. 6*10 грамма.
Длина генома измеряется:
в метрических единицах - ангстремах, миллиметрах, сантиметрах, метрах;
по числу точек кроссинговера - в морганидах или сантиморганидах;
по числу пар оснований или нуклеотидов- в базах, килобазах, мегабазах.
1 сМ=1Мб=1 млн. п.о.
Длина полнстью деспирализованной суммарной ДНК
из одной диплоидной соматической клетки человека составляет
110 см, 6.4 * 10 п.о. или 6400 Мб или 6400 сМСравнительные размеры геномов разных организмов
Царство
живого
Вид
организма
Средняя
длина
1 молекулы
Число
генов
хромосо
м
Размеры
гаплоидного генома
пар
оснований
страниц
текста
Вирусы
Бактериофаг
λ
17,2 мкм
60
1
4,9 * 104
30 страниц
Прокариоты
Кишечная
палочка
1400 мкм
3-4 000
1
3,2 * 106
300 страниц
Эукариоты
Дрозофила
12 000 мкм
(мелкая)
5-6 000
8
1*108
10 томов по
1000
страниц
Гепатоцит
человека
30 000 мкм
(средняя)
30 000
46
3,2 * 109
200 томов по
1000
страницВ составе генома различают
хромосомные и внехромосомные элементы.
Внехромосомные элементы представляют собой разнообразные по
длине, но всегда более короткие, линейные или кольцевые по форме
фрагменты собственной ДНК клетки в виде амплифицированных онкогенов
и генов устойчивости к ядам, лекарственным препаратам и
антиметаболитам, или ДНК эндосимбионтов в виде плазмид, эписом и
вирусных хромосом, которые могут локализоваться в ядре или цитоплазме.
Хромосомные элементы – это последовательности ДНК,
организованные в отдельные постоянные и обязательные структуры клетки –
хромосомы.
Геном человека включает 25 хромосом, из которых:
22 - Аутосомы, 1 - Х-хромосома, 1 - Y-хромосома, 1 - М-хромосома.С точки зрения постоянства присутствия в геноме различают
облигатные, факультативные и мобильные его элементы.
Облигатные элементы генома – это тот объем нуклеотидных
последовательностей, состав, количество и локализация которых
обязательны и постоянны для всех представителей определенного вида
живых организмов и которые необходимы и достаточны для формирования
присущего этому виду фенотипа.
Факультативные элементы генома – это такие
послеодовательности нуклеотидов, количество, положение и сам факт
наличия которых не является строго обязательным и постоянным для особей
данного биологического вида (те же ампликоы, плазмиды, эписомы, вирусные
хромосомы).
Мобильные элементы генома – это последовательности ДНК,
топография и количество которых может варьировать в разных
представителей одного вида, а также в разных тканях и разных клетках
одного организма. Их называют транспозонами и они могут перемещаться
из одних участков генома в другиеПо локализации в клетке геном эукариотов делится на
ядерный (яДНК) и митохондриальный (мтДНК).
Митохондриальный геном – 95% всей ДНК клетки, совокупность
копий М-хромосомы (порядка 10 000).
Ядерный геном – 5% всей ДНК клетки, совокупность ядерных
хромосом.
Состав ядерного генома клеток человека
Соматические
клетки
Половые клетки
Женский
организм
22 пары аутосом + ХХ - гоносомы 22 аутосомы + Х гоносома
Мужской
организм
22 пары аутосом + ХУ - гоносомы 22 аутосомы + Х гоносома
22 аутосомы + У гоносома
Из общего числа Х-хромосом в клетке активна только она.
Все остальные – формируют тельце Х-полового хроматина.Сравнительная характеристика
ядерного и митохондриального геномовЯдерный
геном
Митохондриальный
геном
Хромосомы линейной формы.
Состав: ДНК (40%), белки-гистоны (40%), негистоновые белки
(15%) , РНК, полисахариды, липиды, ионы металлов (в сумме
порядка 5%).
Протяженность ДНК 6,4 *10 пар нуклеотидов
Содержат порядка 30-31 тысячи генов, кодирующих весь спектр
ядерных и цитоплазматических белков клетки, основную часть
белков митохондрий (66 субъединиц белков дыхательной цепи) и
различные виды РНК..
Хромосомы кольцевидной формы.
Состав: «голая», т.е. лишенной белков-гистонов, ДНК, небольшое
количество негистоновых белков, РНК, полисахариды, липиды и
т.д.
Протяженность ДНК 16 569 пар нуклеотидов.
Гены М-хромосомы кодирует 2 рибосомные РНК (12S и 16S),
22 транспортные РНК и 13 полипептидов, входящих в состав
комплексов окислительного фосфорилирования.
Доля отцовской и материнской яДНК в зиготе одинакова и
равноценна. Оба родителя в одинаковой мере передают
генетическую информацию потомству.
Доля отцовской мтДНК в зиготе составляет от 0 до 4
митохондрий, а материнских - 2500.
Репликация отцовских митохондрий в зиготе блокируется.
Информация мтДНК наследуется по материнскому типу.
Помимо мутационной, имеет место и комбинативная
изменчивость (за счет разнообразных сочетаний отцовских
и материнских хромосом в процессе меиоза и оплодотворения).
Комбинативная изменчивость мтДНК отсутствует.
Нуклеотидная последовательность мтДНК меняется в
поколениях только за счет мутации.
Гены яДНК имеют прерывистую (интрон-экзонную) структуру.
Объем
некодирующих
внутрии межгенных вставок
огромен (порядка 98% генома).
Гены мтДНК непрерывны, т.е. не содержат интронов.
Объем некодирующих последовательностей нуклеотидов очень
незначительный.
яДНК способна к репарации.
Скорость мутирования ниже, чем в мтДНК.
мтДНК не способна к репарации.
Скорость мутирования в 10 раз выше, чем в яДНК.
В яДНК транскрибируется
цепь.
В
мтДНК
цепи.
или транслируется только одна
транскрибируются или транслируются обе
Кодон:
УГА является стоп-кодоном.
АУА – кодирует изолейцин.
АГА и АГГ- кодируют аргинин
Кодоны:
УГА кодирует триптофан
АУА – кодирует метионин
АГА и АГГ - являются стоп-кодонами
Патологические мутации генов яДНК проявляются
моногенными болезнями с разными типами наследования.
Патологические мутации генов мтДНК ведут к
митохондриальным болезням, которые наследуются в ряду
поколении по материнской линии.Многообразие
нуклеотидных последовательностей
По числу копий на геном:
Уникальные
Повторяющиеся
70-75%
25-30%
низко5%
1-10
10 –
несколько
100
средне15%
100 - несколько 1000
SINE-повторы
Alu-повторы
LINE –повторы
высоко10%
десятки и сотни
1000 копий
а-сателлитная (альфоидная ДНК)
минисателлитная
микросателлитнаяНуклеотидные последовательности
По функции:
Кодирующие
2%
уникальные и низко повторяющиеся
последовательности
экзоны структурных генов
Некодирующие
98%
умеренно- и высоко повторяющиеся
последовательности
интроны структурных генов
спейсеры
регуляторные гены
последовательности околоцентромерных
и теломерных районов хромосом краткое содержание других презентаций
«Закономерности моногибридного скрещивания» - Анализирующие скрещивания. Наследование окраски цветков гороха. Цитологические (цитогенетические) основы наследования признаков. Моногибридное скрещивание. Наследование окраски ягод земляники. Возвратные скрещивания. Доминантный вариант признака. Гибриды первого поколения. Насыщающие скрещивания. Неполное доминирование. Наследование окраски семян гороха.
«Хромосомная теория Моргана» - Нарушение сцепления генов. Хромосомы томата. Скрещивание чистых линий дрозофилы. Скрещивание гибридов. Закон сцепления. Самки и самцы. Группа сцепления. Хромосомная теория наследственности. Морганида. Частота кроссинговера. Профаза I мейоза. Сцепленные гены. Мушка дрозофила. Опыты Т.Моргана. Морган. Участок генетической карты. Гибриды второго поколения. Хромосомная теория. Кроссоверное потомство. Генетическая карта.
«Закон Моргана» - В каких случаях выполняется закон Моргана. Некроссоверные гаметы. Вероятность расхождения двух генов по разным хромосомам. Доминантные гены катаракты, элиптоцитоза и многопалости. 1% кроссинговера. Группа сцепления. Сцепление генов может нарушаться в процессе кроссинговера. Задачи на полное сцепление. Появление особей с перекомбинированными признаками. Перекомбинированные признаки. Гены, локализованные в одной хромосоме.
«Взаимодействие неаллельных генов» - Аддитивная полимерия. Термины. Наличие пигмента. Доминантный эпистаз. Полимерное взаимодействие генов. Расщепление. Взаимодействие неаллельных генов. Расщепление по фенотипу. Комплементарное взаимодействие. Типы взаимодействия неаллельных генов. Интенсивность окрашивания. Доминантный эпистаз на примере наследования масти у лошадей. Розовидный гребень. Эпистатическое взаимодействие генов. Рецессивный эпистаз на примере наследования окрашивания у мышей.
«Родословная» - Цели и задачи исследования. Группы крови. Родословная. Родословная семьи. В родословной прослеживается аутосомно-рецессивный тип наследования. Наследование групп крови у человека. Генеалогический метод генетики человека. Цвет волос. Наследование формы волос. Форма волос. Анализ родословной. Неспособность различать отдельные цвета.
«Генетика Менделя» - Основы генетики. Атмосфера сотрудничества. Умозаключения. Фенотип. Задача с использованием 3-го закона Менделя. Дигибридное скрещивание. Третий закон Менделя. Длинношерстность. Грегор Мендель. Иллюстрации первого и второго законов Менделя.
«Современное представление о гене и геноме» Презентация на тему: Ген структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой участок ДНК, задающий последовательность определённого полипептида либо функциональной РНК. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. Среди некоторых организмов, в основном одноклеточных, встречается горизонтальный перенос генов, не связанный с размножением. История термина Термин «ген» был введён в употребление в 1909 году датским ботаником Вильгельмом Иогансеном три года спустя после введения Уильямом Бэтсоном термина «генетика». Изучение генов Изучением генов занимается наука генетика, родоначальником которой считается Грегор Мендель, который в 1865 году опубликовал результаты своих исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Сформулированные им закономерности впоследствии назвали законами Менделя. Свойства гена
- дискретность - несмешиваемость генов;
- стабильность - способность сохранять структуру;
- лабильность - способность многократно мутировать;
- множественный аллелизм - многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;
- аллельность - в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;
- специфичность - каждый ген кодирует свой признак;
- плейотропия - множественный эффект гена;
- экспрессивность - степень выраженности гена в признаке;
- пенетрантность - частота проявления гена в фенотипе;
- амплификация - увеличение количества копий гена.
- Структурные гены - гены, кодирующие синтез белков. Расположение нуклеотидных триплетов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном
- Функциональные гены - гены, которые контролируют и направляют деятельность структурных генов.
- Небольшие компактные геномы размером, как правило, не более 10 млн пар оснований, со строгим соответствием между размером генома и числом генов.
- Обширные геномы размером более 100 млн пар оснований, у которых нет чёткой взаимосвязи между размером генома и числом генов.
