Тема лекции: Структурно-функциональная организация наследственного материала ( генный, хромосомный и геномный уровни). Реализация генетической информации в признак
Материальная основа наследственности – нуклеиновые кислоты ( генетический материал ). Общие свойства генетического материала: Способность к самовоспроизведению. Способность сохранять свою организацию постоянной. Способность приобретать изменения и воспроизводить их.
В 1865 Г. Мендель - высказал первые предположения об организации наследственного материала В 1909 г. В. Иогансен назвал «наследственные задатки» Менделя генами. 80-е гг. XIX в. - описаны митоз и мейоз, в ходе которых между дочерними клетками распределяются ядерные структуры —хромосомы (В. Вольдейер, 1888). начал о XX в. - Т. Бовери (1902—1907) и У. Сетгону (1902—1903) – Хромосомы как материальные носители наследственной программы. начал о XX в. - Т. Морганом и его сотрудниками разработана хромосомной теории наследственности, у становлено, что гены размещаются в хромосомах в линейном порядке.
1953 - создание Дж. Уотсоном и Ф. Криком пространственной модели молекулы ДНК (a) Rosalind Franklin Franklin’s X-ray diffraction Photograph of DNA (b) Figure 16.6 a, b
В 60-х гг. - произведена полная расшифровка генетического кода, установлено соответствие триплетов нуклеотидов в молекуле нуклеиновых кислот определенным аминокислотам. В 70-х гг. разработка метод ов генной инженерии. XX столетие - определ ение последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК геномов различных организмов (прочтение ДНК-текстов).
Сиквенирование-заводской процесс более1,5 млрд п.н. в месяц Сиквенс генома человека занял 9 месяцев 10 дней И стоил 200 млн долларов... После 10 лет разработки методов и инструментов к 2001 году прочитаны ДНК-тексты генома человека, представленные в целом 3 млрд. пар нуклеотидов
Уровни организации генетического материала: 1. Генный. Ген – минимальная структурно-функциональная единица наследственности, которая кодирует определенный признак. 2. Хромосомный. В каждой хромосоме свой набор генов. 3. Геномный: Вся совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом данного вида организмов называется ГЕНОМОМ.
ген – это э лементарн ая единиц а молекулярно-генетическо го уровн я организации Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, или тРНК, или рРНК.
Особенности структурной организации ДНК. Полимерная молекула, мономером которой является н у к л е о т и д. В состав нуклеотида входят: азотистое основание ( аденин, гуанин, тимин, цитозин ), сахар – дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты.
Азотистые основания Пуриновые — аденин, гуанин и пиримидиновые — тимин, цитозин
Нуклеиновые кислоты (НК) Полинуклеотидные цепи спирально закручены друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, шаг общей спирали, на который приходится 10 пар нуклеотидов — 3,4 нм.
Нуклеиновые кислоты (НК) "правило Чаргаффа": в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину. А + Г А = Т; Г = Ц или ——— = 1 Ц + Т
Названия нуклеотидов (А, Т, Г, Ц): Аденин – адениловый; гуанин – гуаниловый; цитозин – цитидиловый; тимин – тимидиловый нуклеотиды.
между 3'-углеродом остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфодиэфирная связь. Характеристика ДНК
водородные связи возникают между азотистыми основаниями нуклеотидов, располагающихся друг против друга принцип комплементарного взаимодействия пар оснований: против аденина - тимин на другой цепи, а против гуанина - цитозин на другой, то есть аденин комплементарен тимину и между ними две водородные связи, а гуанин — цитозину (три водородные связи). Комплементарностью называют способность нуклеотидов к избирательному соединению друг с другом. Характеристика ДНК
Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), то есть против 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой. На периферию молекулы обращен сахаро-фосфатный остов. Внутрь молекулы обращены азотистые основания. Характеристика ДНК
А-форма В-форма Z -форма Разновидности ДНК
Видовые различия выражаются в количестве и последовательности нуклеотидов Внутривидовые различия неоднозначная последовательность нуклеотидов в экзонах уникальных генов, интронах, различная локализация МГЭ и гетерохроматина
Особая система записи минокисло белка в виде нуклеотидов на молекуле ДНК и РНК В 1954 г. Гамов: кодирование информации в молекулах ДНК осуществляется сочетаниями нескольких нуклеотидов
Каждая аминокислота полипептидной цепи кодируется сочетанием трех последовательно расположенных в цепи ДНК нуклеотидов, называемых ТРИПЛЕТАМИ или КОДОНАМИ В многообразии белков обнаружено около 20 различных аминокислот из четырех нуклеотидов образуется 4 3 = 64 триплета ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; 3 - бессмысленные, или « нонсенс-триплеты », они не шифруют аминокислот : АТТ, АЦТ, АТЦ.
Специфичность - Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. У ниверсальность - полное соответствие кода у различных видов живых организмов Вы рожденность многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами Возникшее новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует ту же самую аминокислоту непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании – соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета.
Классификация генов 1. Структурные гены (3-5% ДНК): Уникальные (их продукты белки: ферменты, транспортные, строительные, рецепторные). много раз повторенные (их продукты белки: рибосомные, гистоны) 2. Гены тРНК и рРНК (их продукты: тРНК и рРНК, повторы 300-1600 раз). 3. Прыгающие гены (МГЭ) – способны перемещаться по геному; продукт не обнаружен; влияют на активность структурных генов, рядом с которыми они в данный момент находятся. Перемещение МГЭ – один из механизмов комбинативной изменчивости
1. Лабильность – способность генов мутировать – изменять нуклеотидную последовательность. Есть гены, мутации которых «запрещены» (гены гистонов, актина, ферментов репликации, транскрипции, трансляции). 2. Стабильность – способность генов восстанавливать (сохранять) свою структуру (несмотря на мутации) за счет механизмов репарации ДНК. 3. Множественность молекулярных форм генов – способность генов (благодаря повторным мутациям) существовать в популяциях в разных молекулярных формах. для ~ 40% генов обнаружены разные молекулярные формы
1. Гены эритроцитарных антигенов систем: АВО: 3 основных варианта (А,В,О) Резус ( Rh ): гены CDE и их варианты C w, C x, C n, c, D n, d, E w, e 2. Гены лейкоцитарных АГ системы HLA (A, B, C, D, DR): А – 20 форм, В – 50, С – 12 3. Гены β -глобиновых цепей Hb~190 форм 4. Гены α -глобиновых цепей Hb~ 70 форм 5. Гены фермента Г-6-ФД~100 форм
4. Аллельное состояние – характерно для диплоидных организмов. 5. Специфичность – каждый ген контролирует синтез определенного продукта, который обладает своим полем действия (выполняет определенную функцию). 6. Плейотропия – множественный эффект гена (один ген контролирует формирование многих признаков).
Пенентрантность гена – это вероятность проявления гена Пенентрантность гена выражают в % случаев его проявления к общему числу его носителей Полная пенентрантность доминантного гена Аа Аа Аа Аа Аа Аа Аа ● ● ● ● ● ● ● Неполная пенентрантность доминантного гена Аа Аа Аа Аа Аа Аа Аа ● ● ○ ○ ● ● ○
Понятие экспрессивности аналогично тяжести заболевания Гены человека, экспрессия которых не зависит от среды: Гены эритроцитарных антигенов групп крови ABO(H), Rh, MN и др. Гены « секретор » ( Se) и «не секретор » ( se) Гены лейкоцитарных антигенов генного комплекса HLA Гены-детерминаторы пола Гены-тимидинкиназы (ощущение вкуса ФТМ)
Строение генов про- и эукариот
Несколько структурных генов Ген-регулятор Ген-оператор P O S 1 S 2 S 3 S n это непрерывная последовательность кодирующих нуклеотидов. Функциональная единица генома прокариот – оперон – включает несколько структурных генов, работа которых контролируется одними и теми же регуляторными участками ДНК.
ДНК АЦЦ-ГАТ-ТАТ-ЦЦА-АЦЦ…АТТ… ТРАНСКРИПЦИЯ иРНК УГГ-ЦУА-АУА-ГГУ-УГГ…УАА… ТРАНСЛЯЦИЯ ТРИ-ЛЕЙ-ИЛЕ-ГЛИ-ТРИ Порядок нуклеотидов ДНК и последовательность аминокислот в белке КОЛЛИНЕАРНЫ первич. структура белка КОЛЛИНИАРНОСТЬ - последовательность нуклеотидов ДНК в гене соответствует определенной последовательности аминокислот в полипетидной цепи.
имеют мозаичную структуру: состоят из кодирующих (экзонов) и некодирующих (интронов) участков Например, ген фенилаланингидрооксилазы – 13 экзонов и 12 интронов (90 тыс.н.п.). Преимущества мозаичной структуры генов эукариот повышается их информационную емкость (один ген может кодировать несколько полипептидов), увеличивается степень комбинативной изменчивости, обеспечивается более совершенная регуляция функции генов. Интроны регулируют процессинг иРНК.
Уникальные нуклеотидные последовательности представлены единичными копиями на геном, в них локализованы в основном структурные гены ключевых ферментов Повторяющиеся нуклеотидные последовательности повторены в геноме или многократно, или среднее число раз. В области средних повторов находятся структурные гены белков, часто обновляющихся клеточных структур (рибосом), а также гены тРНК, рРНК, гистонов.
включает один структурный ген (транскрибируемая зона) и множество регуляторных участков ДНК (промотор с ТАТА-блоком, энхансер, сайленсер и др.)
Структурная организация гена эукариот: Экзоны – нуклеотидные последовательности, кодирующие аминокислоты. Интроны – не кодирующие нуклеотидные последовательности (их от 2 до 7 на ген). Промотор (Р) - сайт для соединения с РНК-полимеразой. Сайленсер – ослабляет транскрипцию. Энхансер – усиливает транскрипцию. Зона кэпирования (К) – для формирования в зрелой иРНК КЭПа - метиловой «шапочки». Зона полиаденилирования (А) – для формирования в зрелой иРНК полиаденилового «хвоста». Зона терминации транскрипции (Т).
– это надмолекулярный комплекс ДНК и белков– ДНП ДНП состоит на 40% из ДНК и 60 % белков
хромосомы – ДНП ядра (в соматических клетках человека- 46, ХХ или 46, ХУ, в гаметах 23, Х или 23, У) Полный набор политенных хромосом из клетки слюнной железы дрозофилы
Основным компонентом интерфазного ядра является (окрашенное вещество). Впервые он ХРОМАТИН описан ещё в 1880 году В. Флеммингом. Гетерохроматин Эухроматин ГЕТЕРОХРОМАТИН - плотные, интенсивно окрашенные участки хроматина. Он генетически инертен
Интерфазная хромосома – функционально активная
4 класса гистоновых белков (из групп Н3, Н4, Н2А, Н2В) формируют ядро-нуклеус, вокруг которого ДНК делает 1.5 оборота – около 140 нуклеотидных пар, между нуклеосомами 50–70 нуклеотидных пар). За счет нуклеосомной организации ДНК укорачивается 6–7 раз
При образовании фибриллы нуклеосомы сближаются за счет разности зарядов «хвоста» гистона ( HI ) и фосфатной группы ДНК Гистоновый белок Н1 связывается с линкерной ДНК Структура нити хроматина диаметром 30 нм
Образование вытянутых и компактных петель Protein scaffold 300 nm (c) Looped domains (300-nm fiber) Loops Scaffold Каждая из петель содержит от 20000 до 100000 пар оснований двухцепочечной ДНК, входящей в состав 30 нм-хроматиновой фибриллы.
Метафазная хромосома – функционально не активна, максимально конденсирована, различима в световой микроскоп 700 nm 1,400 nm (d) Metaphase chromosome
Длина деконденсированной ДНК от нескольких сантиметров до 1.2-2м. Длина митотической хромосомы измеряется микронами. В результате степень конденсации достигает 40 тысяч крат. Аутосома I 7,2 см – искусственно растянутая 13 мм – в интерфазе 11 μ – в метафазе В 1200 раз укорочение!
В соматических клетках ♀♀ на периферии ядра глыбка хроматина – тельце Барра или Х-хроматин гетерохроматизированная одна из Х-хромосом У-хроматин – гетерохроматинизирован - ный район длинного плеча У-хромосомы. Феномен инактивации хромосомы Х в клетках женского организма - тонкий фактор регуляции соотношения доз генов для воспроизведения нормального фенотипа
Вся совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом данного вида организмов называется ГЕНОМОМ
В нуклеоиде 1 кольцевая хромосома ( n) 2,5 тыс. генов в ДНК В цитоплазме Внехромосомная ДНК в составе плазмид
длина ДНК в ядре клетки млекопитающего составляет примерно 2—5·10 9 пар нуклеотидов, т.е. в 1000 раз превосходит длину молекулы ДНК бактерии Геном эукариот
ДНК двуспиральная Кольцевая 16569 НП 37 генов митохондриальных белков 2 гена рРНК 22 гена тРНК Функционально-генетическая карта мтДНК человека Внеядерный аппарат – «голая» кольцевая ДНК митохондрий (кодирует 10% белов митохондрий)
Хромосомы митохондрий распределяются в митозе и мейозе неравномерно, обеспечивают цитоплазматическую наследственность, не подчиняющуюся законам Менделя
представлен хромосомами – ДНП ядра (в соматических клетках - 46, ХХ или 46, ХУ, в гаметах 23, Х или 23, У). ДНК хромосом включает более 3 млрд. пар нуклеотидов на гаплоидный набор, общая длина ДНК всех хромосом в клетке – около 2 м.
В митозе и мейозе ядерные хромосомы сегрегируют к полюсам клетки, а поэтому наследование признаков, контролируемых генами хромосом ядра, подчиняется законам Менделя
Шимпанзе – 48 Лошадь – 64 Свинья и кошка – 38 Собака – 78 Крыса – 42 Лягушка – 26 Сазан – 104 Муха – 12 Головная вошь – 12 Таракан: самка – 24 самец – 23 Рак – 116 Краб – 254 Гидра – 32 Малярийный плазмодий - 2
46, ХХ ♀ норма 46, ХУ ♂ Кариотип – совокупность данных о числе, размерах и структуре метафазных хромосом
определение кариотипа и идиограммы. Исследуют кариотип человека в окрашенных микропрепаратах клеток на стадии метафазы
Прямой метод Клетки красного костного мозга Клетки опухолей Непрямой метод Культивирование вне организма (in vitro) клеток: Крови (лимфоциты) Фибробластов кожи Околоплодной жидкости эмбриона
С учетом морфологических параметров аутосомы человека классифицированы на 7 групп (А – 3 пары, В – 2, С – 7, D – 3, E – 3, F – 2, G – 2), половые хромосомы (Х и У) не имеют номера. По морфологическим показателям (рутинный метод кариотипического анализа) можно индивидуализировать с достаточной надежностью лишь 1, 2, 3, 9, 16 аутосомы и У-хромосому. Для остальных хромосом можно определить только групповую принадлежность.
позволяют индивидуализировать все хромосомы в кариотипе Методы дифференциального окрашивания хромосом основаны на выявлении с помощью различных красителей гетерогенности (неоднородности) хромосом по длине. Основная причина гетерогенности хромосом по длине – разное чередование гетеро- и эухроматина.
Электронная микрофотография небольшого участка политенной хромосомы
Кариотип Chironomus sp. Картирование хромосом представлено по системе Кейла [ Keyl, Keyl, 1962] и Девай с соавторами [ Devai et al., 1989]. в er A 2.2, ber D 1.1 и т.д. – генотипические комбинации последовательностей дисков хромосом; BR – кольца Бальбиани, N – ядрышки. Стрелками указаны центромерные районы.
Метацентрические Субметацентрические Акроцентрические Центромерный индекс (отношение длины короткого плеча к длине хромосомы - %) ≥40 метацентрик ≥25 субме тацентрик < 25 акроцентрик
47, ХХХ ♀ 47, ХХУ ♂ патология 45, Х0 ♀ Синдром Шерешевского – Тернера – 45, Х0
47, ХХХ ♀ - 2 тельца Барра 47, ХХУ ♂ патология - 1 тельце Барра и 1 у-хроматин 45, Х0 ♀ - нет полового хроматина Диагностика хромосомных синдромов с помощью ПОЛОВОГО ХРОМАТИНА синдром Клайнфельтера - 48, XXXY – 2 тельца Барра и 1 Y -хроматин 48,XXYY - 1 тельце Барра и 2 Y -хроматина 49,XXXXY - 3 тельца Барра и 1 Y -хроматин
Синдром Патау ( трисомия по 13 хр.) 47, 13 13 13 Хромосомы 18 трисомии синдром(с. Эдвардса) 47, 18 18 18 Хромосомы 21 трисомии синдром(с. Дауна) 47, 21 21 21
Основные этапы реализации генетической информации
Формирование признака – Признак – свойство организма биохимического, физиологического или морфологического характера, которое можно оценить количественно или качественно
Первичная структура белка (полипептид) тРНК рРНК яд.РНК Структурный белок Транспортный белок ( Hb ) Белок-регулятор генной активности Фермент Циркулирующий белок (альбумины крови)
От лат. - EXPRESSIO – выражение, сила проявления. Процесс реализации генетической информации
1 – транскрипция (синтез иРНК на матрице ДНК), 2 – трансляция (синтез белка на матрице иРНК).
1 – транскрипция (синтез про-иРНК на матрице ДНК), 2 – процессинг (созревание про-иРНК в иРНК), 3 – трансляция.
ДНК про-иРНК иРНК белок (полипептид) Транскрипция (прямая) Процессинг, сплайсинг Трансляция Этапы экспрессии генов Претранскрипционный Транскрипция Процессинг и сплайсинг В ядре Транспорт иРНК через ядерную мембрану Трансляция Посттрансляционный этап В цитоплаз- формирования функционально ме активного белка
Внутриклеточные pH ± Ионы ± Белки (гистоновые, негистоновые) ± Метаболиты ± Медиаторы ± БАВ ± «Прыгающие гены» (их локализация) Внеклеточные Медиаторы ± Гормоны ± Др. раздражители Все вызывают изменения МП плазм. мембр. ядерная МБР хромосомы 1. Претранскрипционный этап – активация генов. Активаторы: рН, ионы, БАВ, метаболиты и др.
Освобождают ДНК от белков Деконденсация ДНП Ослабляют водородные связи Активируют РНК-полимеразу Блокируют белок-репрессор – освобождают оператор от блока (у прокариот) Активируют регуляторные зоны
начинается с присоединения РНК-полимеразы к «своему» промотору ( ТАТА-блоку ). происходит с одной полинуклеотидной цепи ДНК ( кодогенной ). Направление транскрипции 3’→5’. Нуклеотидная цепь иРНК растет в направлении 5’→3’. Транскрибируются все экзоны и интроны В итоге образуется про-иРНК, содержащая кодирующие и некодирующие нуклеотидные последовательности.
Прямая транскрипция – синтез РНК на матрице ДНК ДНК РНК Белок (1958 год – центральная догма генетики) Обратная транскрипция – синтез ДНК на матрице РНК РНК ДНК РНК Белок Обратная транскрипция (в основе амплификации генов) ф-т РНК-полимераза Ф-Т Ф-Т 1 2
1) Кэпирование – образование КЭП на 5’-конце про-иРНК. «Кэпирование» - присоединение к 5 ’ -концу 7-метилгуанозина (образование «кэпа»). Служит для присоединения к рибосоме 2) Полиаденилирование на 3’-конце (присоединение поли-А или поли-У). «Полиаденилирование» - добавление к 3 ’ -концу от нескольких десятков до нескольких сотен остатков адениловой кислоты (придает устойчивость иРНК) 3) Процессинг – сплайсинг – «вырезание» интронов и «сшивание» (ферментами-рибозимами) экзонов.
Транспорт зрелой иРНК через ядерную мембрану
Зрелая иРНК 5’-концом (КЭП) подходит к полисомам и протягивается через них транслируются кодон-инициатор и все нуклеотиды кодирующей зоны, кодоны-терминаторы не транслируются.
Зрелая иРНК Рибосомы (полисомы) Набор тРНК ( ~ 60) Набор аминокислот Набор ферментов
Рибосомы (0,2 мкм ~ 60% белков, 40% - РНК (3 вида))
Имеет конфигурацию «клеверного листа», содержит 80 нукл., много минор. основ, поэтому петли: Антикодоновая (7 нукл., 3 из них компл. 1 из кодонов иРНК, кот. кодир. данную аминокислоту Петля для соединения с рибосомой Петля для соединения со своим «узнающим» ферментом Акцепторный стебель –одинаковый у всех тРНК (АЦЦ), служит для присоединения своей аминокислоты ЦЦА 1 2 4 3 5 ’ 3’
структура - тРНК вместе с аминокислотой называется аминоцил-тРНК.
Аминоцил т-РНК входит в рибосому, комплементарно связываясь с кодоном мРНК, происходит реакция, при которой аминокислотные остатки связываются друг с другом, т-РНК удаляется.
образование функционально активного белка: у эукариот «отрезается» метионин или триптофан, формируется вторичная, третичная, а для многих белков и четвертичная структура, присоединяются др. группировки и т.д.
