1
1. Организация наследственного материала. а) Историческое развитие концепции гена. б) Фукционально-генетическая классификация генов. 2. Особенности транскрипции. 3. Транскрипция у прокариот. Схема работы лактозного оперона. 4. Транскрипция у эукариот. 2
Современные представления о природе генетического аппарата позволяют выделить три уровня его организации: Генный Хромосомный Геномный
Геном это совокупность наследственного материала в гаплоидном наборе хромосом клеток организмов соответствующего биологического вида. Геном видоспецифичен. Геном сбалансированный, эволюционно «проработанной» и отобранный объем генетической информации. С геномным уровнем генетического аппарата эукариот связывают переход к избирательной транскрипции генов по времени (период онтогенеза), месту (тип клеток) и объему.
Связан с его большим объемом по сравнению с прокариотической клеткой. Распределение основной массы генетического материала в ограниченном числе ядерных структур – хромосом – обеспечивает упорядоченность его пространственной организации по группам сцепления (хромосомам – хромосом и закономерное пространственное взаиморасположение хромосом в клеточном ядре.
Ген – это единица наследственности и изменчивости. По современным представлениям ген – это участок молекулы ДНК, кодирующий информацию о синтезе определенного полипептида или нуклеиновой кислоты.
http://www.vechnayamolodost.ru/pages/drugienaukiozhizni/rodkoodnrntrimndr80.html
Фермент РНК-полимераза (зеленые комки) ползет по молекуле ДНК (скрученный тяж) и «считывает» ее, синтезируя молекулу РНК (разноцветная лента). В молекуле РНК интроны показаны серым, экзоны — яркими цветами. Вырезанные фрагменты РНК уплывают вдаль, облепленные разнообразными полупрозрачными РНК-связывающими белками. Рис. © Graham T. Johnson. с сайта www.hhmi.org 12
1. Синтез молекул РНК идет в направлении 5 ' –3 ' ; считывание матричной ДНК идет в направлении 3 ' –5 ‘ 2. Для каждого гена только одна из цепей ДНК кодирующая, то есть, каждая молекула РНК считывается только с одной цепи ДНК. 3. Разные гены могут считываться с противоположных цепей ДНК 4. Синтезированная молекула РНК идентична кодирующей цепи ДНК ( кроме замены основания тимин на урацил ) http://www.alliot.fr/bio.shtml.fr 13
14 1. ДНК-матрицы, 2. пула предшественников (аденин-, гуанин-, цитозин- и урацилтрифосфатнуклеотиды), 3. соответствующего фермента (РНК-полимераза).
Последовательность ДНК, транскрибируемая в одну молекулу РНК, начинающаяся промотором и заканчивающаяся терминатором, называется транскрипционной единицей, или транскриптоном. Промотор - сайт ДНК, с которым связывается РНК-полимераза. Терминатор - последовательность ДНК, на которой РНК-полимераза прекращает синтез РНК 15 http://www.biochemistry.ru/biohimija_severina/B5873Part31-185.html
Транскрипция – матричный процесс, в котором выделяют три стадии 16 Стадии транскрипции Процессы, происходящие на стадиях транскрипции ИНИЦИАЦИЯ (самая медленная стадия) промотор Связывание РНК-полимеразы с ДНК Расплетание ДНК на участке 10-20 нуклеотидов Формирование первых фосфодиэфирных связей ЭЛОНГАЦИЯ (самая длительная стадия) Удлинение цепи РНК ТЕРМИНАЦИЯ (самая короткая стадия) терминатор Остановка синтеза РНК Распад тройного комплекса ДНК----РНК-полимераза-----РНК
Схема регуляции транскрипции у прокариот ( гипотеза оперона ) была предложена Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на примере лактозного оперона для объяснения регуляция генов у E. coli (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1965 г.). Оперон – группа тесно сцепленных генов, находящихся под контролем общего промотора и транскрибируемых как единая и-РНК. Оперон – группа структурных генов управляемых одним геном- оператором. Оперон – участок ДНК, на котором синтезируется и-РНК, определяющая синтез белка 18
В состав оперона входит: Промотор Инициатор Ген-оператор Структурные гены Терминатор Ген-регулятор не является частью оперона, он активен постоянно и на основе его информации через и-РНК синтезируется особый белок-репрессор. Белок-репрессор связывается индуктором. Индуктор – вещество, инициирующее синтез фермента, который его разлагает. 19
20 Оперон работает
21 http://bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/lection11.html
Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Георгием Павловичем Георгиевым (1972 г.) и получила название гипотезы транскриптона. Единица транскрипции у эукариот также транскриптон Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но механизмы ее более сложные. В прокариотической клетке наследственный материал и аппарат биосинтеза белка пространственно не разобщены, поэтому транскрипция и трансляция происходят почти одновременно. У эукариот транскрипция происходит в ядре и сопровождается процессингом пре-РНК транскрипта, трансляция - в цитоплазме на рибосомах. 23
Транскриптон состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон. Неинформативная зона начинается промотором с инициатором. Далее следует группа генов-операторов, за которым расположена информативная зона. Информативная зона образована структурным геном, разделенным на экзоны и интроны. Заканчивается транскриптон терминатором. 24
Энхансер (усилители транскрипции, англ. enhance — увеличивать, усиливать) – это генетический элемент, обладающий усиливающим транскрипцию действием, которое практически не зависит от расположения элемента относительно контролируемого им гена. 25 http ://moikompas.ru/compas/regulation_gene
Энхансеры представлены короткими последовательностями ДНК, включающих десятки нуклеотидных пар. Энхансер увеличивает эффективность транскрипции гена в десятки и сотни раз. Энхансеры способны активировать гены на больших расстояниях, достигающих нескольких десятков тысяч пар нуклеотидов. В некоторых случаях они могут активировать транскрипцию генов, расположенных на других хромосомах. Энхансер увеличивает эффективность транскрипции гена в десятки и сотни раз. Особенность энхансеров состоит в том, что они способны действовать на больших расстояниях (более чем 1000 п.н.) и вне зависимости от ориентации по отношению к направлению транскрипции гена. Еще одной важной характеристикой энхансера является его способность активировать любой промотор, расположенный сравнительно недалеко. Энхансеры - основное средство регуляции транскрипции в клетках высших эукариот. Для взаимодействия энхансера с промотором необходимо приблизить эти сайты друг к другу. Возможность такого контакта может определяться другими регуляторными участками, формирующими петлевую укладку хроматина.
Сайленсер (ослабители транскрипции, англ. silense — заглушать) – это регуляторный участок ДНК, который подавляет активность промотора. Также как энхэнсеры, сайленсеры действуют в определенной степени независимо от ориентации в геноме и от расстояния от промотора. Связывание белков-репрессоров с сайленсерами приводит к понижению или к полному подавлению синтеза РНК РНК-полимеразой. http://kak.znate.ru/docs/index-9406.html 27
Ингибирование транскрипции с использованием регуляторных элементов, называемых сайленсерами, - активный процесс. В этом случае происходит прямое подавление инициации транскрипции путем разрушения транскрипционного комплекса на промоторе или посредством его инактивации иным способом. Первый из описанных в 1986 г. сайленсеров обладал классическими энхансероподобными свойствами, действуя на промоторы, расположенные в цис-положении (на той же молекуле ДНК) на большом расстоянии. При этом активность сайленсера, подобно энхансеру, не зависела от его ориентации по отношению к регулируемому промотору.
Специфичность действия энхансеров и сайленсеров определяется инсуляторами, которые блокируют активность энхансера или сайленсера. Существуют определенные последовательности нуклеотидов длиной в несколько сотен пар оснований, которые обладают способностью подавлять позитивное и негативное влияние эухроматина и гетерохроматина на экспрессию трансгенов, интегрированных в этот хроматин и фланкированных указанными последовательностями в новом сайте интеграции. Такие участки ДНК как бы изолируют ген, находящийся между ними, способствуя сохранению его обычной пространственной структуры. Эти последовательности известны под названием инсуляторов (англ. insulate - изолировать) и как регуляторные области локусов (LCR - locus control regions). Введение одного из таких элементов между энхансером и промотором регулируемого гена приводит к функциональной изоляции энхансера и подавлению экспрессии гена. http://kak.znate.ru/docs/index-9406.html 29
Процессинг (созревание) РНК – совокупность биохимических реакций, в результате которых происходит модификация пре-РНК с образованием зрелых молекул РНК: структурная (уменьшается молекулярная масса) и химическая. 30
31 http://rpp.nashaucheba.ru/docs/index-102487.html
32 ДНК пре-РНК РНК БЕЛОК Репликация рекомбинация репарация репликация сворачивание сборка ПРОЦЕССИНГ ФУНКЦИЯ
Сплайсинг – это точное воссоединение (сшивание) участков, соответствующих экзонам. 33 http://bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/lection25.html
обеспечивает кодирование одним геном различных конечных продуктов (структурно и функционально различающихся полипептидов), что определяется спецификой клетки (ткани), то есть, один ген обеспечивает образование изоформ белка, специфичных для различных конкретных тканей; является эффективным и экономичным способом кодирования множества продуктов ограниченным числом нуклеотидов ; служит одним из механизмов порождения белкового разнообразия у высших эукариот; 34
http://www.biospsma.spb.ru/SZGMU_SITE/TL_Abstracts_of_lectures/Structure_and_function_of_the_gene.html
