Лекция 5
.pdfТема: ОРГАНИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОГО ММААТТЕЕРРИИААЛЛАА
n Уровни упаковки генетического материала
o Уровни организации наследственного материала p Свойства гена
q Классификация генов
r Регуляция работы генов у прокариот s Регуляция работы генов у эукариот t Цитоплазматическая наследственность u Генная инженерия
cДНК соединяется с гистоновыми (основными) и негистоновыми
(кислыми) белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Их длина в диплоидном наборе хромосом человека ≈ 2 м, а длина всех метафазных хромосом ≈150 мкм. Упаковка генетического материала достигается спирализацией
(конденсацией) и связью его с белками.
Нуклеосомный уровень. Нуклеосома - это глобула (октаэдр), содержащая по
1 |
3 |
|
|
2 молекулы четырех гистонов - (Н2А, Н2В, Н3, |
|
|
|
Н4), вокруг которой двойная спираль ДНК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 нм образует 2,2 витка (200 пар нуклеотидов). |
|
|
|
|
|
Нуклеосомная нить имеет d = 10-13 нм. Дли- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
на ДНК уменьшается в 5-7 раз. |
|
|
|
|
Супернуклеосомный уровень (соленоид). |
|
|
25нм |
Нуклеосомная нить конденсируется, нуклео- |
|
|
|
сомы "сшиваются" гистоном Н1, и образуется |
спираль d = 25 нм. Виток спирали содержит 6- 10 нуклеосом. Укорочение в 6 раз.
1
2
Хроматидный уровень. Супернуклеосомная нить спирализуется с об-
|
|
|
25 нм |
разованием петель и изгибов, составляет |
|
|
|
||
|
|
|
основу хроматиды. Обнаруживается в про- |
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
фазе. Диаметр петель = 50 нм. Нить ДНП уко- |
|||
50 нм |
|
|
||
2 |
рачивается еще в 10-20 раз. |
|||
|
|
|
|
Уровень метафазной хромосомы. Хрома- |
1 |
тиды образуют еще одну суперспираль и фор- |
|||
|
|
|
|
мируют эухроматиновые (слабо спирализован- |
ные) и гетерохроматиновые (сильно спирализованные) участки; происходитукорочениеДНПещев20 раз.
Общий итог конденсации - укорочение нити ДНП в
10000 раз.
Нуклеоид прокариот - кольцевые ДНК образуют комплексы с негистоновыми белками. Эта ДНК собрана в "бусинки", близкие по величине нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабильны (слабое взаимодействие между ДНК и белками).
3
4
dУровни организации наследственного материала:
1.Генный уровень представлен совокупностью элементарных единиц наследственности и изменчивости - отдельными генами. Этот уровень объясняет дискретное (независимое) наследование генов (III закон Менделя) и существование генных мутаций.
2.Хромосомный уровень – гены эукариот расположены в хромосомах. Этот уровень организации - необходимое условие сцепления генов, кроссинговера и случайного расхождения хромосом и хроматид при мейозе. На этом уровне возникают хромосомные мутации.
3.Геномный уровень – вся совокупность генов в функциональном отношении представляет единое целое и образует генотип (геном). Этот уровень обуславливает взаимодействие генов (внутри- и межаллельное) и геномные мутации. Результатом функционирования генома является формирование фенотипа целостного организма. Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма, развивающаяся на основе реализации генетической информации под влиянием факторов окружающей среды.
5
e Свойства гена:
•специфичность (структурный ген детерминирует синтез определенного полипептида);
•целостность (при программировании синтеза полипептида ген выступает как неделимая единица);
•дискретность (наличие субъединиц: цистрон, рекон, мутон);
•стабильность (редко изменяются);
•лабильность (способность мутировать с частотой 1·10-5);
•плейотропия (один ген детерминирует развитие нескольких признаков);
•экспрессивность (один и тот же ген в разных организмах может иметь различную степень фенотипического проявления);
•пенетрантность (частота фенотипического проявления гена
впопуляции организмов не всегда равна 100%).
6
fКлассификация последовательностей ДНК:
1.Уникальные последовательности – (1 последовательность в геноме) – входят в состав структурных генов и несут информацию о структуре полипептидов (в геноме человека они составляют 56%).
2.Повторяющиеся последовательности – (повторяются десятки, сотни, миллионы раз) – являются промоторами, регулируют репликацию ДНК, участвуют в кроссинговере, разделяют экзоны и интроны в транскриптоне.
3.Транспозоны («прыгающие гены») – подвижные генетические элементы, способные встраиваться в хромосому и перемещаться вдоль нее.
Классификация генов по выполняемой функции:
1.Структурные гены несут информацию о различных видах РНК, белках гистонах, ферментах и структурных белках.
2.Функциональные гены: гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов (ингибиторы, интенсификаторы); и генырегуляторы, контролирующие работу структурных генов (регуляторы, операторы, промоторы и терминаторы).
7
По месту действия гены подразделяют:
а) функционирующие во всех клетках (гены, кодирующие ферменты энергетического обмена);
б) функционирующие в клетках одной ткани (гены, детерминирующие синтез миозина в мышечной ткани);
в) специфичные для одного типа клеток (гены гемоглобина в незрелых эритроцитах).
Генотип соматических клеток одинаков, но клетки разных тканей (нервной, мышечной, эпителиальной, соединительной) отличаются.
В различных клетках в разное время работают разные гены.
Поле действия гена – область проявления действия гена – (гены, детерминирующие развитие папиллярных узоров на пальцах, ладонях и стопах).
Время действия гена - это период его функционирования (гены, детерминирующие синтез половых гормонов, работают с момента полового созревания, а к старости их функция снижается).
8
gЖакоб, Моно и Львов 1961г. - регуляция транскрипции у прокариот.
Оперон – группа структурных генов управляемых одним геномоператором.
В состав оперона входит:
1.Промотор - место прикрепления РНК-полимеразы.
2.Инициатор - место начала считывания генетической информации.
3.Ген-оператор регулирует доступ РНК-полимеразы к структурным генам взаимодействуя с регуляторными белками.
4.Структурные гены – определяют синтез группы белков, связанных общей функцией (ферменты, обеспечивающие цепь последовательных биохимических превращений).
5.Терминатор – последовательность нуклеотидов ДНК, где прекращается процесс транскрипции и РНК-полимераза освобождается от ДНК.
Ген-регулятор не является частью оперона, он активен постоянно и на основе его информации синтезируется регуляторные белки (репрессор или апоиндуктор), способствующие или препятствующие соединению РНК-
полимеразы с промотором.
9
|
|
|
|
|
|
|
|
Инициатор |
Оперон |
|
|
|
|
||||||||
|
|
Ген- |
|
|
Структурные |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
Промотор |
|
|
Ген- |
|
Терминатор |
||||||||||||||
|
|
регулятор |
|
|
гены |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оператор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
В |
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и-РНК |
|
|
|
|
|
|
|
Белок- |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
репрессор |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
РНК- |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Белок полимераза |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оперон не работает |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
репрессор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Существует два основных механизма регуляции актииввннооссттии ооппееррооннаа:: 1. Индукция – включение оперона вследствие поступления в клетку негенетического фактора – индуктора, который связывает активную форму белка-репрессора, тем самым деблокирует ген-оператор. РНК-полимераза осуществляет транскрипцию. При разрушении или расходовании индуктора, в клетке появляется активная форма белка-репрессора, который останавли-
вает транскрипцию.
10