Регуляция синтеза белка

В процессе эволюции был создан механизм регуляции действия генов. Геном каждой клетки приобрел характер комплекса, состоящего из:

1. Структурных генов, которые кодируют синтез белковых молекул (т-РНК и и-РНК);

2. Генов-регуляторов, которые обеспечивают упорядоченность в действии структурных генов.

Регуляция экспрессии (выражения) генов осуществляется на нескольких уровнях:

Генный – обусловлен изменением количества и локализации генов, контролирующих тот или иной признак. Транскрипционный – отвечает за то, какие и когда включать гены для наработки и-РНК. Трансляционный – обеспечивает отбор и-РНК, транслирующихся на рибосомах. Функциональный – связан с регуляцией активности ферментов.

21. Что такое мутации, их роль в эволюции, классификация. Что такое нейтральные и слабовредные мутации? «Молекулярные часы».

Мутация – это наследственное изменение признаков организма. Мутации возникают внезапно, без переходных форм. Они возникают спонтанно и не имеют направленного характера. Наследственная изменчивость всегда (кроме явлений цитоплазматической и плазмидной наследственности) связана с перестройками генетического материала, а значит, генотипической изменчивостью. Генотипическая изменчивость затрагивает генотип организмов и осуществляется с помощью мутаций.

Мутации бывают разных видов и возникают:

· Под влиянием мутагенов (химических веществ или излучений, воздействующих на геном);

· Под воздействием окружающей среды (экстремальные температуры etc).

Виды мутаций:

1. Геномная мутация. Затрагивает изменение генома организма, связана с изменением числа хромосом. Проходит несколькими путями:

a. Полиплоидия (увеличение числа хромосом, кратное их гаплоидному набору – совокупности хромосом, присущей зрелой половой клетке, в которой из каждой пары характерных для данного биологического вида хромосом присутствует только одна). Организмы называют по числу хромосом в клетке триплоидными (3n), тетраплоидными и т.д. Мутация возникает под воздействием на клетки в процессе митоза или мейоза различных факторов (см. выше). Наиболее часто этот вид мутаций встречается у растений, иногда – у червей. Полиплоиды часто используются в практике селекции растений, многие виды естественно развились подобным образом;

b. Анеуплоидия, или гетероплодия (изменение числа хромосом, не кратное их гаплоидному набору). Также происходит в процессе митоза или мейоза. Могут возникать непарные хромосы (моносомия) или лишние (трисомия). Как правило, приводит к гибели растений, а у человека и животных вызывает генетические заболевания (болезнь Дауна – диплоидный набор хромосом 47, вследствие появления в 21 паре лишней хромосомы).

2. Хромосомная мутация. Вызывает перестройку хромосом, не нарушая их количество. Причина – отклонения в процессе митоза и мейоза, приводящее к разрыву хромосом и новому слиянию. Способы разнообразны:

a. Дупликация (удвоение участка хромосомы); АБ ВВ ГДЕ

b. Делеция (потеря участка); АБВ _ДЕ

c. Инверсия (поворот участка); ЕДГВБА

d. Перенесение участка хромосомы на негомологичную ей; АБВГДЕ

e. Центрическое слияние двух негомологичных участков хромосом.

3. Геномная, или точечная, мутация. Вызывает перестройку последовательности нуклеотидов в ДНК, что меняет структуру конкретного гена. Встречается в природе чаще всего. Генотип и структура не нарушается, и мутационный ген либо перестает работать, либо в процессе синтеза белка начинается изменение призрака организма (проявляется в фенотипе). Бывают:

a. Доминантные (очень редко);

b. Неполно доминирующие;

c. Рецессивные (чаще всего).

4. Цитоплазматическиемутации. Изменения в ДНК митохондрий и пластид. Передаются только по женской линии, т.к. митохондрии и пластиды из сперматозоидов в зиготу не попадают. Пример у растений – пестролистность;

5. Соматические мутации. Мутации в соматических клетках (клетки многоклеточных организмов, не участвующие в размножении). При половом размножении по наследству не передаются. Передаются при вегетативном размножении у растений, при почковании и фрагментации у кишечнополостных (у гидры).

Мутации – как наследственная изменчивость – являются вторым действующим фактором эволюции (по Чарльзу Дарвину, они идут после наследственности).

Во-первых, малые мутации, или точечные, которые не затрагивают геном и не приводят к крупным изменениям фенотипа, включаются в состав генофонда, тем самым повышая его разнообразие;

Во-вторых, накапливающиеся в генофонде точечные мутации оказывают влияние на процесс эволюции. Мутации могут проявиться в популяциях и послужить причиной возникновения новых видов и форм;

В-третьих, мутации, по своему характеру, могут быть

1. Нейтральными. Это мутации, которые не сказываются на фенотипе, к этому типу относится большинству мутаций; большой класс нейтральных мутаций обусловлен заменами нуклеотидов, которые не меняют смысла кодонов. Такие замены называют синонимическими. Например, аминокислота аланин кодируются триплетами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА и ГЦГ. Если в результате мутации ГЦУ превращается в ГЦЦ, то белок, синтезированный по измененной программе, остается тем же самым;

2. Полезными;

3. Вредными. Существуют также слабовредные мутации, которые не убивают и не вызывают никакого очевидного фенотипа вроде несвертываемости крови, а просто немного снижают приспособленность. У каждого человека в генотипе присутствует от 900-1100 заменяющих аминокислоту слабовредных мутаций. Количество таких мутаций увеличивается примерно на одну за поколение за счет спонтанного мутационного процесса. Сейчас у человека практически не действует естественный отбор против слабовредных мутаций — он действует против только очень сильных нарушений.

Соответственно, полезные мутации изменяют какие-либо свойства организма, тем самым изменяя его. Однако надо помнить, что полезность мутации относительна и определяется, в первую очередь, средой.

Молекулярные часы – это гипотеза и метод, базирующийся на наблюдениях ученых Цукеркэндла и Полинга (1960-е), которые заметили что темпы аминокислотных замен в белках гемоглобина и цитохрома С в разных видах приблизительно одинаковы при сравнении различных млекопитающих. Они предположили, что для любого белка во всех филогенетических линиях темпы эволюции постоянны. По их мнению, это позволяло точно датировать самые разнообразные события, используя мокромолекулы, а также строить точные филогении.

В настоящее время «молекулярные часы» – это техника в тории молекулярной эволюции, которая использует окаменелости и позволяет измерять молекулярные изменения для вычисления времени в геологической исторической шкале, когда два вида, или таксона, разделились. Это используется для выявления времени появления нового вида или морфологического изменения. Иногда это называется «генными часами» или «эволюционными часами».

Проведенные исследования (например, Goodman, 1981), показали, что не во всех линиях наблюдается постоянный темп эволюции: разным таксонам присущи разные темпы эволюции. Скорее всего не существует глобальных молекулярных часов, но есть локальные, внутри таксонов. Действительно, внутри таксонов часто не наблюдается достоверных различий в темпах замен.

Различия в темпах эволюции часто объясняют эффектом времени генерации или различной эффективностью систем репарации, скорости замен увеличиваются после генных дупликаций и во времена адаптивной радиации.

Тем не менее, несмотря на спорность гипотезы молекулярных часов, она широко использутся для оценок времен дивергенции видов и построения филогенетических деревьев.

Неблагоприятные мутации – летальные, вредные, слабовредные.

Летальные и вредные с сильно выраженным эффектом отсекаются на индивидуальном уровне, в эволюции большой роли не играют, поскольку не могут быть переданы потомкам. Слабовредные, напротив, играют значительную роль в эволюции.

Люди или другие животные, отягощенные множеством слабовредных мутаций, отличаются слабым здоровьем, у них могут быть понижены иммунитет, интеллект, энергичность, быстрота реакции, плодовитость, продолжительность жизни, сексуальная привлекательность и все прочее, для чего нужны “хорошие гены”. Слабовредные мутации возникают в каждом поколении, и если отбор их не отсеивает, они накапливаются. Каждый новорожденный человек несет в своем геноме, вероятно, около десяти новых слабовредных мутаций, которых не было у его родителей.

 

 

22. Генетика развития, ее основные задачи и достижения.

Генетика — наука о наследственности и изменчивости. Наследственность обычно определяют, как способность организмов воспроизводить себе подобное, как свойство родительских особей передавать свои признаки и свойства потомству. Этим термином определяют также сходство родственных особей между собой.

Главная цель генетики развития - изучение генетических механизмов, контролирующих образование из зиготы сложного организма, состоящего из сотен различных типов клеток и десятков органов.

Задачи генетики развития:

1) Найти гены, работа которых ведет клетки по пути той или иной дифференцировки

2) Изучить механизмы, которые включают и выключают эти гены в нужный момент и в нужном месте

3) Понять, как взаимодействуют гены, каков порядок их работы, характер (торможение или активация) и сила их связи

4) Создать схему генетического контроля развития ткани или органа (генную сеть)

Генетика развития изучает процесс реализации генетической информации в ходе индиви-дуального развития, т. е. путь от гена к признаку. Развитие организма включает в себя такие понятия, как рост и дифференцировка. Рост – это количественные, а дифференцировка – ка-чественные изменения в организме. Дифференцировка может осуществляться на всех уровнях организации – клеточном, тканевом, органном. Органный уровень дифференцировки часто обозначают термином «морфогенез».

Большой вклад в создание основ генетики развития внесли отечественные ученые. Несомненная роль в развитии этой науки принадлежит М.Е. Лобашеву, Н.К. Кольцову, Б.Л. Астаурову, Н.В. Тимофееву-Ресовскому. На первых этапах своего существования, в 20–50-е годы ХХ в., генетика развития носила описательный характер, отвечала на вопрос как выглядит объект и носила название «феногенетика». С 60-х годов ХХ в. начался новый этап генетики развития, который можно обозначить как «молекулярно- генетический», позволивший отвечать на вопрос почему так выглядит объект. Сегодня благодаря реализации геномных проектов и развитию новых методов проведения исследований, начали открываться молекулярно-генетические механизмы развития многоклеточных организмов.

Основная задача генетики развития – расшифровка программ развития, т. е. изучение мо-лекулярно-генетических механизмов, лежащих в основе принципов управления онтогенезом. На сегодняшний день можно выделить 6 основных проблем генетики развития.

1. Изучение генетического контроля онтогенеза. Эта проблема занимает центральное место и является чисто генетической. Для ее решения необходимо 1) выявить гены, контролирующие этапы и уровни онтогенеза; 2) изучить функцию выявленных генов; 3) выяснить иерархию (последовательность) действия генов с помощью анализа генных взаимодействий; построить схему (генную сеть) регуляции процессов развития.

2. Изучение генетического контроля сигнальных путей;, т. е. механизмов восприятия и передачи внешних и внутренних сигналов. Проблема включает в себя изучение сигнальных путей, обеспечивающих координацию развития с условиями внешней среды, выявление генов, контролирующих компоненты сигнальных путей, и установление их функции на уровне организма с помощью физиологических и биохимических методов.

3. Изучение генетических механизмов дифференциальной регуляции действия генов в онтогенезе. Эта проблема решается генетиками вместе с молекулярными биологами. Если молекулярные биологи изучают уровни и механизмы регуляции экспрессии генов (транскрипционный, посттранскрипционный, трансляционный и пр.), то генетики выявляют гены, которые участвуют в этой регуляции, в том числе и те, которые являются компонентами сигнальных путей и опосредуют регуляцию развития фак- торами внешней и внутренней среды. Важной задачей является выявление регуляторных участков генов (цисрегуляторных элементов), обусловливающих специфичность экспрессии.

4. Изучение генетических механизмов, контролирующих взаимодействие клеток и тканей;

(клональный анализ). Взаимодействия клеток основаны на обмене определенными индук- тивными сигналами, поэтому основной задачей клонального анализа является выявление генов, контролирующих образование сигналов, а так- же генов, которые обеспечивают перемещение сигналов между клетками.

5. Изучение генетических основ регуляции развития растений фитогормонами. Изучение генетических механизмов действия регуляторов роста растений, в том числе фитогормонов, является одним из основных разделов генетики развития растений.