Эволюция понятия гена.

Раньше считалось, что гены представляют собой часть хромосомы и яв­ляются неделимой единицей, обладающей рядом свойств: способностью определять признаки организма; способностью к рекомбинации, т. е. пе­ремещению из одной гомологичной хромосомы в другую при кроссинговере; способностью мутировать, давая новые аллельные гены.

В дальнейшем оказалось, что ген представляет собой сложную систе­му, в которой указанные особенности не всегда бывают нераздельными.

Первые представления о. сложной структуре гена возникли еще в 20-х годах текущего столетия. Советские генетики А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин выдвинули предположение, что ген состоит из отдельных «ступенек». В настоящее время это блестяще подтвердилось новыми ис­следованиями. Установлено, что ген представляет собой часть молекулы ДНК и состоит из сотен пар нуклеотидов. Ген как функциональную еди­ницу американский генетик С. Бензер предложил назвать цистроном. Именно цистрон определяет последовательность аминокислот в каждом специфическом белке.

Новые данные поставили под вопрос корректность современного определения гена. Для разработки наиболее точного понятия гена рассматривается эволюция определения гена – от абстрактных элементов наследственности Менделя и Моргана до современных представлений об открытых рамках считывания и последних открытий проекта ENCODE.(the Encyclopedia Of DNA Elements)

Гены функционально неодинаковы. Структурные гены содержат информацию о расположении аминокислот в молекуле белка, они обычно расположены рядом, образуя один блок – оперон. Они программируют синтез ферментов, участвующих в последовательно идущих ферментативных реакциях, в одном метаболическом цикле. В оперон входят участки, относящиеся к процессу включения транскрипции - промотор- место первичного прикрепления РНК полимеразы, с которого начинается процесс транскрипции и регуляторный участок- ген оператор. В зависимости от его состояния структурны гены могут быть активны или выключены из процесса транскрипции. Вся группа генов одного оперона функционируют одновременно.

Ген оператор - особый участок молекулы ДНК, расположенный в начале оперона. Это функциональный ген, который осуществляет включение и выключение структурных генов.

Оператор контролируется геном регулятором, расположенном на каком-то расстоянии от оперона. Ген регулятор кодирует синтез особого белка- репрессора. Репрессор м/б 2 –х формах активной и неактивной. В активной форме он присоединяется к оператору и блокирует транскрипцию, оперон выключается. Пока репрессор связан с геном оператором, оперон в выключенном состоянии. При переходе белка репрессора в неактивную форму ген оператор освобождается, происходит включение оперона и начинается синтез соответствующей РНК с последующим синтезом ферментов. В конце оперона расположен терминатор/сигнал к прекращению транскрипции.

Кодон/триплет - единица наследственной информации, состоящая из 3 нуклеотидов, расположенных в определенной последовательности и кодирующая одну аминокислоту.

Интрон - участок гена/ДНК/ эукариот, который, как правило, не несет генетической информации, относящейся к синтезу белка, кодируемого данным геном.

Молекула иРНК содержит в себе ряд инертных участков – интронов, В процессе созревания иРНК спец. Ферменты вырезают интроны и сшивают оставшиеся участки, т.е. фрагменты структурных генов, которые называют экзонами. Этот процесс называется сплайсингом.

Внутри гена могут происходить рекомбинации(к ней способны частицы цистрона – реконы) и мутирование (к нему способны частицы цистрона - мутоны)

Спейсеры - небольшие нетранскрибируемые участки ДНК, которые разделяют многочисленные повторы генов.

Альтернативный сплайсинг — процесс, в ходе которого экзоны, вырезаемые из пре-мРНК, объединяются в различных комбинациях, что порождает различные формы зрелой мРНК. В результате один ген может порождать не одну, а множество форм белка.

Пре-мРНК некоторых генов эукариот могут подвергаться альтернативному сплайсингу. При этом интроны в составе пре-мРНК вырезаются в разных альтернативных комбинациях. Разные варианты альтеранативного сплайсинга одной пре-мРНК могут осуществляться в разные периоды развития организма или в разных тканях, а также у разных особей одного вида [1]. Как правило, при альтернативном сплайсинге из первичного транскрипта удаляются и некоторые экзоны.

Существует несколько механизмов альтернативного сплайсинга:

Экзон может вырезаться или оставаться в составе мРНК.

Один из двух «взаимоисключающих» экзонов вырезается, а другой остаётся.

Использование альтернативного донорных сайтов: используются разные 5'-точки разрезания первичного транскрипта (донорные сайты), что изменяет 3'-границу вышележащего (upstream) экзона

Использование альтернативных акцепторных сайтов: используются разные 3'-точки разрезания транскрипта (акцепторные сайты), так что меняется 5'-границы нижележащего (downstream) экзона.

Сохранение интронов в составе мРНК. В этом случае для сохранения функциональности белка интрон должен содержать последовательность нуклеотидов, не вызывающую сдвиг рамки считывания и не содержащую стоп-кодонов.

Существуют и другие механизмы альтернативного сплайсинга.

Некоторые из продуктов альтернативного сплайсинга пре-мРНК нефункциональны (такой вариант альтернативного сплайсинга осуществляется у дрозофилы при определении пола), но нередко в результате альтернативного сплайсинга пре-мРНК одного гена образуются многочисленные мРНК и их белковые продукты.[2]

Показано, что у человека 94 % генов подвержено альтернативному сплайсингу (у остальных 6 % генов нет интронов). Геном круглого червя Caenorhabditis elegans по количеству генов практически не отличается от генома человека, однако альтернативному сплайсингу подвергаются пре-мРНК только 15 % генов. Таким образом, альтернативный сплайсинг позволяет увеличить разнообразие белковых продуктов генов, сохраняя при этом относительно небольшое количество различных генов в геноме и не создавая избыточных копий генов.

Транскрипция -первый этап реализации генетической информации, передача ее с ДНК матрицы на образующуюся РНК, осуществляется ферментом ДНК зависимой РНК полимеразой. Фермент узнает участок ДНК – промотор (начало транскрипции), присоединяется к нему, расплетает двойную спираль ДНК и синтезирует, начиная с этого места, на одной из цепей ДНК в соответствии с принципом комплементарности молекулу РНК. Когда фермент достигает конца кодируемого участка (терминатора), синтезируемая молекула РНК отделяется от матрицы. Затем происходит процессинг (процесс созревания про-РНК, специальные ферменты вырезают определенные участки из про-РНК), после чего образуется зрелая мРНК.

Трансляция - перевод генетической информации с нуклеотидного кода, записанного в молекулах мРНК, в определенную последовательность аминокислот в полипептидной цепи синтезируемого белка.

Этапы трансляции - инициация (начало синтеза), элонгация (удлинение, наращивание полипептидной цепи), терминация (окончание синтеза). Последнее обеспечивается терминирующими кодонами.

7 Экспериментальные доказательства роли ДНК в переносе наследственной информации (явление трансформации в опытах Гриффитса, трансдукция, (эксперименты Френкель-Конрата с вирусом табачной мозаики!!), опыт Херши и Чейза с бактериофагом.)

1. Вирусы, поражающие бактериальные клетки - бактериофаги. Опыты Херши и Чейза - Белок фага метили радиоактивной серой, а ДНК радиоактивным фосфором, вновь образовавшиеся фаги содержали только радиоактивный фосфор. Опыты показали, что генетическая информация от внедрившегося фага его потомкам передается только проникающей в клетку нуклеиновой кислотой, а не белком, содержащимся в капсуле вируса

2. Опыты Гриффитса. Трансформация - включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку. Это перенос наследственной информации от одной клетки прокариотов к другой посредством ДНК бактерии донора или клетки донора Он работал с двумя штаммами пневмококков. Штамм S имеет капсульную оболочку и вирулентен. При введении его мышам они погибали. Клетки штамма R не имели капсульных оболочек, гибели мышей не наступало. Клетки вирулентного штамма подвергали действию высоких температур, они не вызывали заболевания. При введении мышам смеси из невирулентного и убитого нагреванием вирулентного штаммов мыши заболели и погибли. Из крови мышей выделены живые S пневмококки. Произошла трансформация штамма R в штамм S.

Поскольку клетки вир. штамма были убиты нагреванием, значит фактором, вызывающим трансформацию, было вещество небелковой природы. Если ДНК бактерий доноров разрушалась ферментом дезоксирибонуклазой, то трансформации не происходило. Это доказывает, что трансформация вызвана ДНК.

Трансдукция/перемещение - заключается в том, что вирусы, покидая бактер. клетки, в которых паразитировали, могут захватывать с собой часть их ДНК и, перемещаясь в новые клетки, передают новым хозяевам свойства старых. Это было доказано в опытах по заражению бактерий вирусами.

Френкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики(ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки «переодетые» вирусы вызвали картину поражения, характерную для того штамма была покрыта чужим белком. Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить переносчиком генетической информации.

 

8 Современное представление о генетическом коде. Опыты Ниринберга!!!!! Синтез специфических белков. Репликация, транскрипция, трансляция. Транскрипция 4 значного кода первичной генетической информации в 20 значный аминокислотный код белков. Виды и структура р РНК, т РНК, и РНК. Мультимерная организация белков (гемоглобин человека: HbA, HbA2, HbS, HbF HbU.)

Генетический код - система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, контролирующая последовательность расположения аминокислот в молекуле белка.

Триплетный код - 4 основания в комбинации по 3 дает 64 разных кодона. Одни и те же аминокислоты могут кодироваться различными кодонами.

РНК построена подобно одной из цепей ДНК. Особенно много в клетках с интенсивным синтезом белка

рРНК - крупные молекулы (3-5 тыс. нуклеотидов), в рибосомах, 90 % всей Рнк. Роль – инициация, окончание синтеза белка, отщепление готовых молекул.

иРНК – несет генетическую информацию для построения белка (матричная). Молекулы состоят из триплетов (300 – 3000 нуклеотидов), 0.5-1% от общей массы РНК. Существует две фракции – Зрелая и РНК + ее предшественник.

тРНК – транспорт аминокислот к рибосомам, молекулы короткие (70-100 нуклеотидов). Для каждой аминокислоты существует свой тип тРНК, на одном конце – участок, к которому прикрепляется аминокислота, на другом конце триплет азотистых оснований (антикодон).

При комлиментарном совпадении антикодона тРНК с триплетом иРНК аминокислота занимает определенное место в строящейся белковой молекуле. ДНК – РНК – белок.

Гемоглобин — специфический белок эритроцитов, легко выделяемый из организма без применения трудоемких биохимических методик. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей (двух α- и двух β-цепей), каждая из которых соединена с небелковым компонентом — гемом, содержащим железо.

1. Гемолитические анемии. Проявляются в распаде эритроцитов, зависящем от неустойчивости гемоглобина

2. Метгемоглобинемии. Обусловлены ускоренным окислением двухвалентного железа до трехвалентного и образованием гемоглобина М

3. Эритроцитоз. Заключается в образовании большего, чем обычно, количества эритроцитов, что обусловлено повышенным сродством гемоглобина к кислороду, который с трудом высвобождается в тканях.

4. Серповидно-клеточная анемия. Заключается в замене гемоглобина НЬА на HbS, который отличается растворимостью и кристаллизацией в условиях гипоксии, что приводит к изменению формы эритроцитов, и проявляется фенотипическим многообразием симптомов. Бета нити погибают, преобразовываются в S2 или 2 альфа, бета S – в Африке не болеют анемией, в горах погибают.

Заболевания первых трех групп наследуются по доминантному типу, так что гетерозиготы по мутантному гену страдают нарушением здоровья.

HbA2 – 2 альфа нити в цепи. HbF – фетальный гемоглобин (гемоглобин плода) 2 альфа, 2 гамма нити, которые преобразовываются в 2 бета нити.

9 Изменчивость и ее формы. Наследственная и ненаследственная изменчивость. Индуцированные и спонтанные мутации. Хромосомные абберации. Генные мутации. Генетическая инженерия. Цитоплазматическая наследственность. Наследственность и среда. Взаимодействие аллельных (доминирование, промежуточное наследование, неполное и сверхдоминирование, аллельное дополнение (комплементация) и аллельное исключение) и неаллельных генов (комплементарость, эпистаз и полимерия). Экспрессивность, пенетрантность, полигенность, плейотропия. Фенокопии и генокопии.

Наследственность — свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также повторять определенный тип индивидуального развития. Различают хромосомную (ядерную) и нехромосомную (неядерную) наследственность.

Изменчивость — вариабельность (разнообразие) признаков среди представителей данного вида. Различают изменчивость ненаследственную и наследственную. Первая связана с изменением фенотипа, вторая – с изменением генотипа. Сейчас их называют иначе – модификационная (фенотипическая) и генотипическая (наследственная).

Мутации – это элементарный эволюционный фактор, влияющий на развитие органического мира.