Бенито муссолини

19. Пластидная наследственность. Митохондриальная наследственность. МАТЕРИНСКИЙ ЭФФЕКТ . Влияние матери на потомков, обусловленное плазматическим наследованием, развитием эмбриона в утробный период и выращиванием потомков в подсосный период. Различают генетический и модификационный материнский эффект. Генетический не отличается от эффекта истинной плазматической наследственности, а модификационный связан с эмбриональным периодом и выращиванием потомства во время молочного периода. Гены с материнским эффектом активны в организме самки. Продукты этих генов депонируются в яйце и определяют пространственные оси эмбриона, продольную (задне/переднюю) и дорсально/вентральную оси. В качестве примера на схеме приведена мРНК (mRNA), кодируемая геном bicoid. Эта мРНК локализована на переднем полюсе яйца и с началом эмбриогенеза транслирует белок, который диффундирует от места синтеза, формируя градиент. Продукты других генов с материнским эффектом также распределяются специфическим образом. Обычно это ДНК-связывающие белки, которые в качестве факторов транскрипции стимулируют или блокируют экспрессию других генов. Пластидное наследование Наследственность пластидная * plastid inheritance - - одна из форм наследственности цитоплазматической , при которой происходит наследование пластидных признаков (напр., пестролистность, описанная К.Корренсом у ночной красавицы Mirabilis jalapa). Н. п. не подчиняется законам Менделя, т. к. в зависимости от условий оплодотворения признак наследуется от обоих родителей или только от матери. Локализованная в пластидах часть генетического материала обозначается как пластом. Наследование через митохондрии. Эта наследственность связана с ДНК митохондрий. Митохондрии эукариотических клеток способны к размножению, причем у высших организмов признаки, обусловленные митохондриальной наследственностью, передаются только по женской линии. Это объясняется тем, что при оплодотворении цитоплазма сперматозоида не проникает в яйцеклетку, а следовательно, не проникают и мужские митохондрии.	35.организация генома эукариот. При изучении первичной структуры, т. е. последовательности нуклеотидов, ряда генов выяснилось, что в них, наряду с участками, кодирующими специфичный для этого гена продукт (полипептид, рРНК, тАНК и т. д.), имеются участки, которые ничего не кодируют, т. е. они подобно межгенным спейсерам (участкам между генами) не содержат генетической информации. Группы ученых, возглавляемых Р. Робертсом и П. Шарпом, обнаружили такие расщепленные гены у аденовируса 2 в 1977 г. Некодирующие участки получили название интронов, кодирующие - экзонов. Такой тип структурной организации обнаружен для множества генов, локализованных в хромосомах эукариот, для некоторых генов внутриклеточных органелл эукариот - пластид и митохондрий, а также для генов нескольких РНК-содержащих и ДНК-содержащих вирусов, поражающих эукариот. У бактерий интронов в генах нет. Нет интронов и в генах вирусов, поражающих бактерии. Число и внутригенная локализация интронов характерны для каждого гена, что стано вится очевидным в результате сравнения организации гомологичных генов у разных видов. Некоторые гены содержат только один-два интрона, но часто их значительно больше. Так, например, в гене овальбумина курицы 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы их 13, а один из генов коллагена курицы имеет даже 51 интрон. По результатам проекта «Геном человека», в 17 тыс. исследованных транскриптов у этого вида среднее число экзонов на транскрипт составило 7,8 [Venter et al., 2001]. Летальное исследование экзонов у 10 наиболее изученных модельных объектов показало, что у эукариот в среднем один ген содержит 3,7 интрона на 1 тпн кодирующего участка ДНК [Deutsch, Long, 1999]. У низших эукариот, таких как дрожжи, 95 % генов содержат только один экзон, значит, такие гены не прерываются интронами. У дрозофилы таких генов всего 17%, а у млекопитающих — 6 % (рис. 7.58). Экзоны имеют, как правило, небольшую длину (рис. 7.59). Длина интрона может быть разной — от нескольких десятков пар нуклеотидов до многих тысяч (рис. 7.60). Общая длина всех интронов часто значительно превышает суммарную длину экзонов. К примеру, из приблизительно 7 тпн, образующих ген овальбумина, на долю экзонов приходится всего 1872 пн, т. е. почти,, 3/4 длины составляют интроны. По данным; проекта «Геном человека», только 1 % ДНК генома приходится на экзоны и 24 % — на интроны, при этом размер гена (экзоны + интроны) составляет около 28 тпн [Venter et al., 2001]. Интроны транскрибируются наравне с экзонами, так что про-мРНК содержит участки, транскрибированные как с экзонов, так и с интронов. В дальнейшем в ходе процессинга, происходящего в ядре, участки про-мРНК, соответствующие интронам, вырезаются, а бывшие разобщенными участки, считанные с экзонов, «сращиваются», и зрелая мРНК содержит только транскрипты экзонов. Эти прежде разобщенные участки соединяются в нужном порядке (рис. 7.61). Воссоединение участков, транскрибированных с экзонов при образовании зрелой мРНК, называют сплайсингом (от англ. splicing — сращивание морских канатов). Длина гена существенно больше длины мРНК (табл. 7.1). Интроны всегда (установлено для генов, кодирующих белки) имеют на 5'-конце пару последовательностей СТ, а на 3'-конце — AG. Последовательности нуклеотидов в экзонах консервативны, а в интронах сильно варьируют. Иногда экзон одного гена может быть гомологичным экзону даже другого гена. Например, два β-глобиновых гена мыши имеют по три гомологичных экзона в каждом гене. Между интронами этих генов гомология не найдена, повидимому, из-за того, что интроны эволюционируют значительно быстрее, чем экзоны. При сравнении последовательностей нуклеотидов в одних и тех же генах у разных видов находят большую гомологию в экзонах. Разные экзоны в пределах гена не только различаются по составу кодируемых ими аминокислот, но и имеют определенные структурные особенности. Например, в геноме человека обнаружено 30-45 тыс. так называемых CpG-островков. Это тяжи неметилированной ДНК с высоким содержанием динуклеотидов CpG. Чаще всего они располагаются в районах стартовых точек транскрипции. Вероятность найти CpG-островки в первых экзонах генов человека в 13 раз выше, чем в интронах, и в два раза выше, чем в других экзонах. Размеры геномов в зависимости от таксономической принадлежности организмов Длинные молекулы геномной ДНК должны обладать способностью упаковываться в очень небольшом объёме. Ядра клеток эукариот и клетки бактерий имеют размеры ~ 10-6 м, в то же время в каждой клетке человека общая длина ДНК составляет ~ 2 м. Геномы эукариот организованы существенно более сложно, чем геномы прокариот. Одна из характерных особенностей геномов эукариот - наличие кластеров изофункциональных генов. Изофункциональными называются гены, продукты экспрессии которых характеризуются структурно-функциональным сходством. В качестве примера подобных кластеров можно привести гены рРНК и гистонов. Эти гены тандемно повторяются в геномах и представлены большим числом идентичных копий. Типичный пример кластера генов - кластер бета-глобиновых генов человека, содержащий 5 генов и 1 псевдоген. Каждый из генов экспрессируется на определенной стадии индивидуального развития организма. В состав кластеров изофункциональных генов могут входить псевдогены - последовательности геномной ДНК, структурно сходные с генами, однако лишённые функциональной активности. Вероятнее всего, они являются остатками когда-то функциональных генов. Например, псевдоген кластера бета-глобиновых генов человека гомологичен гену из этого же кластера, однако мутации в кодирующей части последовательности псевдогена привели к появлению стоп-кодонов во втором и третьем экзонах. Таким образом, этот мутантный ген потерял способность к полноценной экспрессии. Наиболее вероятно возникновение в ходе эволюции генов одного кластера от общего предкового гена. Гены эукариот отделены друг от друга районами нетранскрибируемой ДНК (межгенными спейсерами). У прокариот гены также отделены друг от друга спейсерами, однако длина спейсеров эукариот существенно больше. Низкая плотность кодирующих районов - общее свойство геномов эукариот, например, для человека она составляет около 2% (Bork et al., 1998). Основной причиной того, что геномы эукариот имеют низкую кодирующую плотность, является наличие огромной фракции некодирующей ДНК, представленной повторяющимися последовательностями, межгенными спейсерами и интронами. В этом состоит существенное отличие геномов эукариот и прокариот. В межгенных спейсерах, а также интронах могут располагаться различные типы повторяющихся последовательностей. Например, общая длина ДНК кластера бета-глобиновых генов человека составляет 73308 пар оснований (п.о.) (EMBL AC U01317). Из них 2.8% приходится на экзоны, 6.1% - на интроны, 8.6% - на различные типы повторяющихся последовательностей. Следует отметить, что насыщенность геномов прокариот повторяющимися последовательностями довольно низка (Kolchanov and Lim, 1994), в то время как для геномов эукариот высокая насыщенность повторами - одно из их характерных свойств. Повторяющиеся последовательности могут иметь различную длину: от нескольких десятков п.о., до нескольких сот п.о. для диспергированных повторов и тысяч п.о. - для мобильных элементов. Все повторы в геноме можно разделить на два класса: 1. Тандемные повторы, к которым относятся разные виды сателлитной ДНК, гены рРНК. 2. Диспергированные повторы, распределённые в геноме по принципу чередования с уникальными последовательностями. К этому классу относятся, в частности, различные типы перемещающихся (мобильных) элементов. В настоящее время не существует детальной классификации повторяющейся ДНК. В обзоре (Heslop-Harrison, 2000) предложена следующая классификация: 1. Тандемные повторы, в которых одна копия следует за другой, так что массив повторяющейся ДНК может насчитывать сотни или тысячи отдельных копий. К этой категории относятся микросателлиты, размер мономера до 5 п.о., а также сателлитная ДНК с большей длиной мономера. 2. Ретроэлементы (мобильные элементы), распространение которых происходит посредством транскрипции. Полученная РНК далее служит матрицей для обратной транскрипции в ДНК, которая затем может встраиваться в определенные места геномной ДНК. К данной категории относятся различные классы диспергированных повторов. 3. Специальный класс повторов - теломерные повторы и рибосомная ДНК. Эти последовательности обладают определённой функцией в геноме: рДНК содержит гены, а теломерная ДНК образует структуры, стабилизируюшие концы хромосом. Теломерная ДНК по структуре сходна с тандемными повторами, размер мономера составляет 6-8 п.о. В среднем на 1000 п.о. кодирующей ДНК у позвоночных приходится 5.6 интронов (Logsdon, 1998). Число экзонов в одном гене может быть даже больше сотни: например, ген титина (EMBL AC AJ277892) имеет не менее 157 экзонов, так что их общая длина превышает 28347 п.о. Строение генов эукариот, в отличие от прокариот, характеризуется наличием экзон-интронной структуры. В состав первичного транскрипта - пре-мРНК входят как экзоны, так и интроны (некодирующие районы). В процессе сплайсинга интроны вырезаются из пре-мРНК. Оставшиеся же части - экзоны - объединяются в зрелую матричную РНК (мРНК), которая может транслироваться в белок. Сайты, по которым происходит вырезание интронов, называют сайтами сплайсинга. Сплайсинг одного гена может происходить несколькими способами. Это означает, что в состав зрелых мРНК могут входить разные комбинации экзонов. Для большинства зрелых мРНК размер составляет от нескольких сот п.о. до 10000 п.о. Максимальная длина зрелой мРНК достигает 80880 п.о. (AC X90568, белок титин, экспрессирующийся в мышечной ткани сердца). В состав первичного транскрипта (пре-мРНК) входят 5' и 3' нетранслируемые районы - 5'UTR и 3'UTR, соответственно. Район, узнаваемый РНК-полимеразой как финиш транскрипции называется районом терминации транскрипции. В 3' нетранслируемом районе гена - 3'UTR может находиться также контекстный сигнал полиаденилирования. Сравнение распределений длин экзонов и интронов для разных видов эукариот позволяет заключить, что в направлении от низших эукариот (грибов и беспозвоночных) к высшим (позвоночным) наблюдаются следующие закономерности:  Средний размер экзона уменьшается;  Средний размер интрона увеличивается;  Увеличивается общее число экзонов и интронов;	29. Псевдоаллелизм. Функциональней тест на аллелизм (цис-транс тест). Одним из первых доказательств сложности гена явилось обнаружение явления множественного аллелизма, свидетельствующего о большей функциональной лабильности гена, чем это думали раньше. В 1929 - 1930 гг. в нашей стране в работах А. С. Серебровского и его молодых сотрудников - Н. П. Дубинина, Б. Н. Сидорова и других - была впервые экспериментально показана функциональная сложность гена. Авторы исследовали у дрозофилы серию множественных аллелей фокуса scute, локализованного в нулевой точке половой хромосомы. Мутации этого локуса st, scs и другие обусловливают редукцию разных щетинок на теле мухи. sr." яс' При скрещивании особей sc1││sc1 и sc2││sc2, у гетерозигот sc1││sc2, как правило, отсутствовали лишь те щетинки, которые были редуцированы у обеих гомозигот. Так, например, если одна мутация sc1 вызывала редукцию щетинок АВС, а другая — редукцию щетинок ВСР, то у гетерозиготы, отсутствовали щетинки В и С, а щетинки А и D имелись. Создавалось впечатление, что в данном случае речь идет о частичной гетерозиготности, когда части мутантных аллелей, которые обусловливают одинаковый фенотипический эффект, оказываются в гомозиготном состоянии. Поэтому описанное явление получило название ступенчатого аллелизма. Псевдоаллелизм. Представление о гене как единице, далее не делимой кроссинговером, подразумевало, что при гаметогенезе у компаундов, т.е. зигот, несущих две аллели одной серии (а1││а2) могут образовываться гаметы только двух типов – а1 и а2. При возвратном скрещивании таких особей с любой из родительских форм возможно появление только мутантных форм: а1││а2 х а1││а1→ а1││а1 : а1││а2 Действительно, это и наблюдается при исследовании ограниченной выборки потомков от возвратного скрещивания. Однако если выборку увеличить, например, до l00 тыс. и более особей, то в ней окажутся и потомки дикого типа. Такие особи могли появиться только при двух условиях: мутация затрагивает часть гена дикого типа и между частями гена может происходить кроссинговер. Это можно представить следующим образом: ген а1 ген а2 _____ . Тогда гетерозигота имеет такой вид: ~~~~ . При кроссинговере между частями гена получатся следующие гены _________. Последний представляет собой исходный ген и обусловливает возникновение особей дикого типа. Явление это было открыто Е. Льюисом и другими при изучении ряда генов у дрозофилы. Существование такого явления противоречило представлению о гене как единице, далее неделимой при кроссинговере. Однако трудно было сразу отказаться от традиционных представлений, и об аллелях, делимых при кроссинговере, стали говорить как о псевдоаллеллх. Псевдоаллелизм распространен весьма широко. Он был продемонстрирован на разнообразных организмах: аспергилле, нейроспоре, дрожжах, хлопчатнике, кукурузе, шелкопряде, дрозофиле, голубях, мышах, норках и многих других объектах. Исходя из того, что ген, согласно современным данным, представляет собой сложную линейную структуру, а мутации могут затрагивать различные его участки, были сделаны попытки модернизировать моргановский функциональный критерий аллелизма. Цис-транс-тест на аллелизм. Льюис предложил цис-транс-тест на аллелизм. Смысл этого теста сводится к тому, что при скрещивании двух мутантных особей возникает зигота с транс-конфигурацисй этих мутаций (рис. 79). Если мутации комплементарны, т. с. появляется гибрид дикого типа, то мутации относят к разным генам. Если гибрид оказывается мутантным, то обе мутации относят к одному гену, т. е. считают их аллельными. При скрещивании двух особей, одна из которых несет две мутации, а другая представляет собой дикий тип, образуется зигота с цис- конфигурацией мутаций. В этом случае гибрид дикого типа возникает и тогда, когда обе мутации произошли в одном гене, и тогда, когда мутантными оказываются два разных гена. Таким образом, тест, предложенный Льюисом, сводится к функциональному критерию аллелизма, предложенному еще Морганом.
36. Программа «Геном Человека». В основе метода лежит слияние клеток, в результате чего образуются гетерокарионы, содержащие ядра обоих родительских типов. Образовавшиеся гетерокарионы дают начало двум одноядерным гибридным клеткам. В 1965 английский ученый Г. Харрис впервые получил гетерокарионы, образованные клетками мыши и человека. Такую искусственную гибридизацию можно осуществлять между соматическими клетками, принадлежащими далеким в систематическом отношении организмам и даже между растительными и животными клетками. Гибридизация соматических клеток животных сыграла важную роль в исследовании механизмов реактивации генома покоющейся клетки и степени фенотипического проявления (экспрессивности) отдельных генов, клеточного деления, в картировании генов в хромосомах человека, в анализе причин злокачественного перерождения клеток. С помощью этого метода созданы гибридомы, используемые для получения моноклональных (однородных) антител. Существование многих национальных программ изучения генома человека вызвало к жизни и некоторые проблемы, главными из которых были координация усилий и распространение полученных результатов. Для решения этих проблем была создана международная организация HUGO (HUman Genome Organisation). Предложение об организации международного органа, выполняющего функции координации усилий ученых разных стран в деле изучения генома человека было впервые сделано на первом симпозиуме в Колд-Спринг Харбор по картированию и секвенированию генома человека Виктором Мак-Кьюзиком (Dr. Victor McKusick). Оно было принято, и уже в 1989 г. HUGO была зарегистрирована в Женеве и в Делавэре (США) [ Bodmer W.f., 1991 ]. Целями организации являются: помощь в координации исследований генома человека, в особенности организация сотрудничества между учеными с целью избежать ненужной конкуренции или дублирования усилий; координация работ по геному человека с работами по изучению модельных организмов; координация и поощрение обмена информацией и биологическими материалами, относящимися к исследованию генома человека; содействие распространению соответствующих технологий путем организации учебных программ; поощрение широкого обсуждения программы исследований, предоставление информации о результатах исследований и их возможном применении, о научных, юридических, этических, социальных и коммерческих аспектах изучения генома человека. HUGO организована по образцу академий, т.е. ее члены выбираются из числа известных ученых. В ее рамках созданы и действуют 6 комитетов: по Международным Школам по картированию генома человека; по физическому картированию; по информатике; по картированию генома мыши; по этическим, юридическим и социальным аспектам; по интеллектуальной собственности. Следует отметить, что столь масштабная задача, как изучение генома человека, вызвала к жизни новые формы организации научных исследований, дало мощный толчок развитию международного сотрудничества. Впервые, пожалуй, такие большие научные силы задействованы для получения базовой, "справочной" информации, которая в полной мере может быть использована еще не скоро. Вероятно, не будет преувеличением сказать, что это очень изменило психологический климат молекулярной биологии.