ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ
Геном - генетический материал ядра в гаплоидном наборе хромосом. Геном – суммарная длина ДНК в гаплоидном наборе хромосом. Термин «геном» - Г. Винклер Функциональная единица- ген. Плазмон - генетический материал цитоплазмы. Функциональная единица- плазмоген.
Мелких ДНК -содержащих вирусов 0,4-1 мкм (1200-3000 п.н.) Геном пластид и митохондрий – 5-100 мкм (15000-300000 п.н.). Бактери й – 1000-2000 мкм (3-6 млн. п.н.) E.coli – 1200 мкн (1,2 мм) Saccharomyces cerevisiae – 13390 т.п.н Геном млекопитающих – 3 × 10 9 п.н. Геном человека – 1990 создана Международная организация по изучению генома человека -3,2 млрд. п.н; Размеры генома
Геномика - н аправление в молекулярной биологии, занимающееся исследованием структуры и функций всей совокупности генов организма или значительной их части. Протеомика – наука, изучающая белковый состав биологических объектов, а также модификации и структурно-функциональные свойства белковых молекул.
Объем генома E.coli – 1200 мкн (1,2 мм) Информативная емкость генома – 2000-4000 генов Нет дуплицирующихся генов Классы генов по генопродуктам : Структурные – кодируют белки Регуляторные – кодируют белки-репрессоры Гены т-РНК – кодируют молекулы т-РНК Гены р-РНК – кодируют молекулы р-РНК
1. Σ длина молекулы ДНК человека -187 см 2. Классы генов по генопродуктам : Структурные – н езависимые (уникальные п оследо - тельности ) кодируют белки ; т ранскрипция не связана с другими генами; активность этих генов регулируется гормонами Регуляторные – кодируют белки-репрессоры: 1. н еспецифические : ТАТА – блок, СААТ – блок, входящие в область промотора; 2. с пецифические : энхансеры -усиливают транскрипцию, инсуляторы – ингибируют транскрипцию, сайленсоры - отключают работу гена, действуя через инсуляторы.
Гены т-РНК – кодируют молекулы т-РНК Гены р-РНК – кодируют молекулы р-РНК Гены гистоновые – кодируют гистоновые белки 3. Информативная емкость генома – 27 тысяч генов (у человека) 4. Избыточность ДНК в геноме – наличие дуплицирующихся генов 5. Кластерные гены : г руппы генов, объединенные в домены общей функцией
По числу повторов: Уникальные – до 10 повторов на геном (структурные гены) Умеренно повторяющиеся -10 2 - 10 5 на геном (регуляторные, гистоновые, гены т-РНК, гены р-РНК) Многократно повторяющиеся – более 10 5 на геном. В организации генома эукариот заложен принцип чередования уникальных и повторяющихся последовательностей ( интерсперсия)
Гены эукариот Ядерные Митохондриальные Белок- кодирующие РНК-кодирующие Гены «домашнего хозяйства Гены терминальной дифференцировки Гены транскрипционных факторов Гены т – РНК Р - РНК Гены мя – РНК микро-РНК
Тандемные повторы - расположены друг за другом. У дрозофилы – повторяющиеся единицы в 5-7 п.н. (ААТАТ), (ААТА G ), ( AATATC ) и др. Центромерная ДНК (альфоидная) Теломерная ДНК – GGGTTA Рибосомная ДНК Диспергированные повторы – разбросаны по всему геному: LINE и SINE – МГЭ
Вызывают мутации генов Формируют хромосомные перестройки Изменяют активность и функции генов Достраивание хромосом после редупликации (дрозофилы) Используют для трансформации генов, клонировании генов. Мобильные генетические элементы и их роль
Секвенирована 1981 г. Кольцевая молекула, 16569 п.н. Содержит 37 генов : кодируют 13 белков, 22 молекулы т-РНК, 2 молекулы р- РНК Гены не содержат интронов Признаки наследуются по материнской линии и не являются менделирующими.
Чувствительна к активным формам кислорода Имеет высокую скорость мутирования Мутации митохондриальных генов могут быть причиной наследственных заболеваний, процессов старения и развития возрастной патологии. Определение нуклеотидной последовательности мит-ДНК позволяет установить эволюционное родство живых организмов.
Единицы транскрипции : Транскриптон - единица транскрипции у эукариот, представляющая собой моноцистронную модель гена. Оперон - единица транскрипции у прокриот, представляющая собой полицистронную модель гена. Это участки ДНК (цистроны), которые содержат информацию о группе функционально связанных структурных белков и регуляторных генов (зон).
И ТАК!!!!! У прокариот гены, контролирующие синтез белков-ферментов, катализирующих ход последовательных биохимических реакций, объединяются в структурно-функциональную единицу – оперон.
Индуцибельный - регулятором является исходный продукт (субстрат ). Субстрат стимулирует реакции своего метаболизма Репрессибельный - регулятором является конечный продукт ( корепрессор ). Он тормозит реакции, ведущие к его образованию.
Структурные гены, кодирующие белки-ферменты Промотор – участок молекулы ДНК, к которому присоединяется РНК-полимераза Оператор – участок молекулы ДНК, место связывания с регуляторным белком-репрессором. Индуктор – метаболит, который связывается с белком-репрессором и переводит его в неактивную форму. Синтез белка – репрессора контролируется геном- регулятором. Белок-репрессор обладает сродством и к оператору и к метаболит у.
Полидромный участок ДНК, разделяющий транскриптоны, образуя так называемые «шпильки» в ДНК. Состоит из инвертированных нуклеотидов (чаще гуанин и цитозин) по принципу «КАЗАК» Функция:Разделение транскриптонов
Последовательность нуклеотидов ДНК, обеспечивающая узнавание и присоединение РНК-полимеразы -Или акцепторная зона - с него начинается синтез и-РНК и с ним взаимодействует особый белок репрессор или индуктор от этого будет зависеть будет или нет идти транскипция
1.ЦААТ блок – активный участок, состоящий их 70-80-100 пар нуклеотидов и заканчивается ЦААТ Функция : узнавание РНК-полимеразы 2.ТАТА блок (блок Хогнесса ) – состоит из 30 пар нуклеотидов, обогащен последовательностями аденина и тимина Функция - присоединение РНК-полимера зы
- ТАЦ - который при трансляции будет соответствовать АК – метионин (ТАЦ на ДНК) Точка инициации, стартовая точка
- Смысловые участки ДНК несут информация о структуре -функционально-связанных белков, т.е.способных присоединять регуляторные белки
экзоны – смысловые участки, несут информацию о структуре белка интроны – несмысловые участки,не несут информацию о структуре белка ДСС –донорный сайт сплайсинга – последовательности нуклеотидов, разделяющие интроны и экзоны. По ним идет вырезание интронов в процессе сплайсинга Триплеты ДНК, соответствующие стоп кодонам и-РНК,остановка трансляции
Нуклеотидная последовательность поли-А, где прекращается рост цепи РНК ( точка терминации )
Процесс транскрипции происходит по программе генетического кода
Генетический код – это система записи информации в молекулах ДНК, которая отражена в последовательности нуклеотидов, предопределяющих порядок расположения аминокислот в молекулах белков. Информация «переписывается» в ядре с молекулы ДНК на и–РНК. Таблицы генетического кода построены для и-РНК.
. Триплетность. Одну аминокислоту кодирует последовательность из трех нуклеотидов, названная триплетом, или кодоном. 2. Вырожденность (избыточность ). Каждая аминокислота зашифрована более, чем одним кодоном. Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан. Каждая из них кодируется только одним триплетом. Для кодирования 20 аминокислот используется 61 комбинация нуклеотидов. Триплет АУГ, кодирующий метионин, называют стартовым. С него начинается синтез белка. Три кодона (УАА, УАГ, УГА) несут информацию о прекращении синтеза белка. Их называют триплетами терминации. 3. Универсальность. У всех организмов на Земле одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты.
4. Однозначность. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту. 5. Колинеарность – совпадение последовательностей аминокислот в синтезируемой молекуле белка с последовательностью триплетов в и–РНК (табл. 20). 6. Неперекрываемость один нуклеотид не входит в состав двух рядом стоящих триплетов. 7. Непрерывность кодоны следуют друг за д ругом.
А КАК ФУНКЦИОНИРУЕТ ВСЯ ЭТА СИСТЕМА ГЕНОВ???? Рассмотрим на примере лактозного оперона
Сущность теории сводится к « выключению » или «включению» генов как функционирующих единиц, к возможности или невозможности проявления их способности передавать информацию о структуре белка.
При негативном контроле экспрессии генов белок-репрессор кодируется регуляторным геном, расположенным между промотором и структурной частью гена, что не даёт возможности РНК- полимеразе соединяться с промотором и осуществлять транскрипцию. При поступлении индуктора происходит связывание репрессора и он превращается в неактивную форму РНК- полимераза свободно проходит к структурным генам и структурные гены начинают синтезировать нужную мРНК
При позитивном контроле экспрессии генов регуляторный белок присоединяется перед промотором ДНК и это облегчает присоединение РНК полимеразы с промотором,после чего следует транскрипция. Такие белки называются активаторами (индукторами).
Не работает когда в клетке нет лактозы промотор S1 S2 S3 R- ген Белок- репрессор активный РНК-поли мераза Оператор блокирован ДНК терминатор
Работает когда есть лактоза Лактозный оперон E.coli R- ген промотор S1 S2 S3 РНК-поли мераза Белок- репрессор неактивный Метаболит лактоза ДНК терминатор
На уровне транскрипции : В основу регуляции положено взаимодействие определенных участков ДНК с белками - транскрипционными факторами ( TF ). Связываются с промотором, обеспечивая присоединение РНК-полимеразы Энхансеры - усилители транскрипции. Сайленсеры – ослабляют транскрипцию
Для прохождения транскрипции необходима деконденсация хроматина на соответствующем участке ДНК. Происходит освобождение нуклеосомных белков от ДНК. Ремоделирование структуры хроматина. Процесс ремоделирования связан с модификацией гистонов Н3и Н4 (метилирование, ацетилирование, фосфорилирование) под действие ферментов (метилазы, ацетилазы, киназы фосфорилирования). Метилирование ДНК, обычно по цитозину в ЦГ парах, затрудняет транскрипцию.
5. Гормональная регуляция : Стероидные гормоны связываются с белком-рецептором в клетке, данный комплекс проникает в ядро, связывается с определенными участками ДНК, регулируя транскрипцию. Пептидные гормоны связываются с белками – рецепторами на мембране и передают сигнал внутрь клетки на белки цитоплазмы, в ответ на внутриклеточные изменения в ядро поступает сигнал, регулирующий экспрессию.
На уровне процессинга Точность сплайсинга обеспечивается взаимодействием белков-сплайсинга и мя-РНК (комплекс сплайосома). Сплайосома связывается с концевыми участками интрона ( 5 ′ -конец интрона почти всегда содержит ГУ, а 3 ′ - конец интрона содержит АГ), что способствует точному вырезанию интронов ферментами рестриктазами.
Редактирование РНК Общий контроль - факторы инициации соединяются с метилированным гуанином на 5-конце м-РНК, в результате происходит соединение с малой субъединицей рибосомы, другой набор белков - FI присоединяется к полиаденилатной последовательности на 3-конце. В этом случае м-РНК является активно транслируемой.
Негативная регуляция : синтезируемый полипептид связывается с собственной м-РНК и блокирует дальнейший синтез. Фосфорилирование белков- факторов инициации ( eIF ) специальным ферментом приводит к нарушению связывания мет-тРНК с малой субъединицей рибосомы и синтез белка блокируется.
проинсулин
