ЗАНЯТИЕ № 8

1. Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала
(генный, хромосомный, геномный)
Структурно – функциональными уровнями организации наследственного материала являются генный, хромосомный и геномный.
Ген – элементарная структура генного уровня организации. Так как гены относительно независимы друг от друга, возможно дискретное (раздельное) и независимое наследование (по третьему закону Менделя) и изменение отдельных признаков вследствие генных мутаций.
Гены эукариот находятся в хромосомах, образуя хромосомный уровень организации наследственного материала. Все гены одной хромосомы составляют группу сцепления и передаются вместе с этой хромосомой. На этом уровне происходит перекомбинация генов родителей у потомков при половом размножении и изменения структуры отдельных хромосом.
Набор генов, получаемых потомком о родителей, составляет его генотип. Геном – это гены гаплоидного набора хромосом. Действие генов в разных генотипах проявляется по – разному.Взаимодействуют между собой гены как одной хромосомы, так и разных хромосом. Нарушение набора хромосом приводит к геномным мутациям.
2. Уровни упаковки генетического материала (нуклеосомный, супернуклеосомный, хроматидный, метафазной хромосомы)
Длина хромосом 0,2 – 5,0 мкм, их диаметр 0,2 – 2 мкм. Хромосомная ДНК эукариотической клетки упакована исключительно компактно. Например, самая маленькая хромосома человека – 22, содержит примерно 4.6ּ107п.н., что соответствует длине 1,4 см. Во время митоза эта хромосома укорачивается до 2 мкм, т.е. становится в 7000 раз компактнее. Очевидно, чтобы достичь такой плотности упаковки и сохранить эффективность основных генетических процессов, структура хромосомы должна иметь несколько уровней организации. Упаковка генетического материала достигается спирализацией (конденсацией) и связью его с белками.
Нуклеосомный уровень. Нуклеосома – это глобула (октаэдр), содержащая по 2 молекулы четырех гистонов – (Н2А, Н2В, Н3, Н4), вокруг которой двойная спираль ДНК образует 2,2 витка (200 пар нуклеотидов). Нуклеосомная нить имеет d=10 -13нм. Длина ДНК уменьшается в 5 – 7 раз.
Супернуклеосомный уровень (соленоид).Нуклеосомная нить конденсируется, нуклеосомы «сшиваются» гистоном Н1, и образуется спираль d=25 нм. Виток спирали содержит 6 – 10 нуклеосом. Укорочение ДНК еще в 6 раз.
Хроматидный (петлевой) уровень.Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов, составляет основу хроматиды. Обнаруживается в профазе петель d=50нм. Нить ДНП укорачивается еще в 10 – 20 раз.
Уровень метафазной хромосомы.Хроматиды спирализуются и образуют эухроматиновые (слабо спирализованные) и гетерохроматиновые (сильно спирализованные) участки; происходит укорочение ДНП еще в 20 раз. Длина метафазных хромосом 2,3 – 1,1 мкм, d=0,2 – 5,0 мкм. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНП в 10 000 раз.
3. Классификация генов (структурные и функциональные, уникальные, повторяющиеся, транспозоны)
Свойства гена:
• специфичность (структурный ген детерминирует синтез данного полипептида);
• целостность (при программировании синтеза полипептида ген – неделимая единица);
• дискретность (наличие субъединиц);
• стабильность (редко изменяются);
• лабильность (способность мутировать);
• плейотропия (детерминирует развитие нескольких признаков);
• экспрессивность (степень фенотипического проявления);
• пенетрантность (частота фенотипического проявления гена).
Классификация генов по функциям:
1. Структурные гены несут информацию о различных видах РНК, ферментах и белках-гистонах.
2. Функциональные гены: гены модуляторы, усиливающие или ослабляющие действие структурных генов (ингибиторы, интеграторы, модификаторы) и гены-регуляторы, контролирующие работу структурных генов (регуляторы и операторы).
Классификация последовательностей ДНК:
1. Уникальные (1 геноме) – входят в состав структурных генов и детерминируют структуру полипептидов.
2. Повторяющиеся (десятки, сотни, миллионы раз) – промоторы, регулируют репликацию ДНК, участвуют в кроссинговере и др.
3. Транспозоны (прыгающие гены) – мобильные генетические элементы, способные встраиваться в хромосому, перемещаться вдоль нее, регулировать процессы обмена веществ, создавать устойчивость к антибиотикам.
По месту действия гены подразделяют на:
а) функционирующие во всех клетках (гены, кодирующие ферменты энергетического обмена):
б) функционирующие в клетках одной ткани (гены, детерминирующие синтез миозина в мышечной ткани):
в) 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. Область проявления действия гена – поле действия гена (гены детерминирующие развитие определенных дерматоглифических показателей на пальцах, ладонях и стопах). Гены функционируют непостоянно (гены, детерминирующие синтез половых гормонов, работают с момента полового созревания, а к старости их функция снижается). Время работы гена – период его функционирования.
Гены выполняют в клетке две основные функции.
а) Гетеросинтетическая функция – это программирование биосинтеза белка в клетке.
б) Аутосинтетическая функция – репликация ДНК (самоудвоение ДНК).
4. Регуляция транскрипции у прокариот (схема Ф. Жакоба и Ж. Моно) и эукариот (схема Г. П. Георгиева)
РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ У ПРОКАРИОТ была изучена в 1961 году с М.Жакоб, Ж. Моно и А. Львовым. Единица регуляции транскрипции у прокариотических организмов – оперон, в состав которого входят:
а. Промотор – место прикрепления РНК – полимеразы.
б. Ген-оператор – регулирует доступ РНК – полимеразы к структурным генам, взаимодействуя с регуляторными белками.
в. Инициатор – место начала считывания генетической информации.
г. Структурные гены - определяют синтез белков – ферментов, обеспечивающие цепь последовательных биохимических реакций.
д. Терминатор – последовательность нуклеотидов завершающая транскрипцию.
Ген-регулятор расположен вблизи оперона, он постоянно активен, на основе его информации синтезируется белок – репрессор.
Белок репрессор образует химическое соединение с геном – оператором, и препятствует соединению РНК – полимеразы с промотором.
Главный механизм регуляции активности оперона – индукция.
РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ У ЭУКАРИОТ была изучена Г.П. Георгиевым в 1972 году.
Единица транскрипции – транскриптон, состоящей 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.
Особенности регуляции экспрессии генов эукариот:
1. Работу транскриптона контролирует несколько генов – регуляторов, дающие информацию для синтеза регуляторных белков и факторов транскрипции.
2. Для включения транскриптона необходимо множество регулирующих компонентов, необходимых для сборки транскрипционного комплекса.
3. Первичныйтранскрипт (про-и-РНК) содержит информацию об экзонах и интронах. Для его превращения в и-РНК необходим процесс созревания.
4. Процессинг – модификация концов про-и-РНК и сплайсинг.
5. Кэпирование на 5′- концеиполиаденилированиена 3′- конце. Кэп («шапочка»изтрифосфометилгуанозина) и полиадениловый «хвост» защищают и-РНК от действия нуклеаз.
6. Сплайсинг – вырезание интронов и стыковка экзонов.
7. Сплайсинг осуществляет сложный комплекс мя-РНП и белков, называемых сплайсосомой.
8. Образованная и-РНК является моноцистронной.
9. Альтернативныйсплайсинг – в результате процессинга одного и того же первичного транскрипта, могут образовываться разные и-РНК, и как следствие, синтезироваться разные полипептиды.
5. Цитоплазматическая наследственность
Основная генетическая информация организма содержится в клеточном ядре. В 1908 г. К. Корренс описал внеядерную (цитоплазматическую) наследственность. Генетический материал содержат митохондрии и пластиды. Эти единицы в отличие от ядерных генов, называются плазмогенами. В цитоплазме клеток может находиться ДНК вирусов и плазмиды бактерий – кольцевые двухцепочечные ДНК.
У человека с цитоплазматической наследственностью связаны болезнь Лебера (нейрит с атрофией зрительного нерва) и анэнцефалия.
Цитоплазматическое наследование идет по материнской линии, через яйцеклетки, так как сперматозоиды практически не содержат цитоплазмы.
Критериями цитоплазматической наследственности являются:
- отсутствие расщепления признаков в потомстве по законам Менделя;
- невозможность выявить группы сцепления;
- различные результаты возвратного скрещивания;
Известны несколько видов цитоплазматической наследственности.
Митохондриальная наследственность описана Б. Эфрусси в 1949 г. Он обнаружил, что примерно 1% колоний хлебных дрожжей образуют карликовые колонии. Их рост тормозится потому, что произошла мутация плазмогенов и их митохондрии не имеет дыхательных ферментов. Геном митохондрий человека представлен кольцевой молекулой ДНК, содержащей 16569 пар нуклеотидов. В митохондриальной ДНК имеется очень мало некодирующихучастков и транскрибируются обе ее цепочки. Имеются данные о некоторых болезнях человека, которые являются следствием мутаций митохондриальных генов (например: митохондриальнаяцитопатия, несращение верхних дуг позвонков, старческое слабоумие, паркинсонизм и др.).
Пластидную наследственность описал К. Корренс в 1908 году. Растение ночная красавица имеет пестрые листья. Произошла мутация, и в части пластид не образуется хлорофилл. Пластиды при размножении распределяются неравномерно. Часть клеток получает нормальные пластиды и имеет зеленые листья; часть клеток получает пластиды, не имеющие хлорофилла – листья белые и растение погибает; часть клеток получает и зеленые (нормальные) и мутантные пластиды – растения имеют пестрые листья (зеленые с белыми пятнами).
Псевдоцитоплазматическая наследственность связана с попаданием в клетку вируса или чужеродной (бактериальной) ДНК. Примером может быть предрасположенность некоторых мышей к опухолям молочной железы. Если нормальных мышат кормит самка «раковой линии», все мыши будут иметь опухоли молочной железы, и наоборот: если мышат «раковой линии» кормит здоровая самка, все мышата будут здоровы. Причиной фактора молока у мышей оказался вирус. Вторым примером может быть гибель XY-зигот дрозофил, которую вызывает спирохета, попадающая в мужские гаметы.