Практические занятия / Дополнительные материалы / Биология и генетика / Лекции / Genetica 5

4

Genetica 5

На лекции рассматриваются следующие вопросы :

1. Молекулярная организация генома и

строение гена у про- и эукариот

2. Репликация ДНК

3. Транскрипция РНК

Состав ДНК генома человека:

-хромосомная ДНК – 95 % генома

-митохондриальная ДНК – 5 % генома

-внехромосомные и кольцевые молекулы ДНК, их размер колеблется от 150 до 20000 пар нуклеотидов.

Структура ДНК

Разновидность ДНК	Содержание ( в %)
Однокопийные последовательности	50 -75
Повторяюшиеся последовательности	50-25

Диспергированная ДНК

Разновидность ДНК	Размер базовой последователь-ности ( в парах нуклеотидов)	Кол-во повторов	Общая длина ( в парах нуклеотидов)
Длинные вставочные элементы LINE	7000	тысячи	млн
Короткие вставочные элементы SINE	90-500	тысячи	млн
Alu -последовательности	300	тысячи	3-5 млн

Alu-последовательности - один из типов коротких вставочных элементов, которые разрезаются ферментом Alu-рестриктазой. Они способны копировать сами себя и при этом образующиеся копии могут вставляться в разные части геномной ДНК, в том числе в гены, нарушая их функцию.

Сателлитная ДНК человека

Разновидность ДНК	Размер базовой последовательности ( в парах оснований)	Кол-во повторов	Общая длина (в парах оснований)
Альфа –сателлитная ДНК	171	Тысячи	Несколько млн
Мини-сталлиты	20-70	Десятки	Несколько тысяч
Микросателлиты	2-4	Десятки	Несколько сотен

Мини- и микросателлитные повторы разбросаны по всему геному и представляют собой уникальную для каждого человека комбинацию по числу тандемных повторов в разных локусах и по числу таких локусов.

Выявление их характеризует генетический полиморфизм каждого человека, оценка которого используется в медико-генетических и судебно-медицинских целях.

Полиморфизм – изменчивость последовательности нуклеотидов ДНК.

Главной формой генетического полиморфизма является однонуклеотидный полиморфизм (ОНП) - варианты последовательностей ДНК у разных людей с вовлечением одной пары нуклеотидов.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Идентичность геномов разных индивидуумов 99,9 %

Межиндивидуальная вариабельность 0,1%

Общее число однонуклеотиднызх замен- 3,2х106

Два человека, взятые наугад на 99,9% идентичны по нуклеотидным последовательностям, т.е. только 0,1% различий по одному нуклеотиду создаёт все разнообразие индивидуальных фенотипических вариаций среди людей.

Эукариотический ген состоят из регуляторных элементов, промотора и структурной части гена, несущей информацию о структуре белковой молекулы. На 3`- конце полинуклеотидной цепочки гена располагается участок ДНК, называемый терминатором. Он определяет окончание транскрипции. Структурная область гена эукариот обычно состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов: экзонов- участков ДНК, которые несут информацию о структуре белковой молекулы, и интронов - неинформативных участков ДНК.

Некоторые гены у человека образуют группы, которые получили название мультигенных семейств. Выделяют два основных типа таких семейств:

• семейства, гены которых отличаются большим сходством структуры, т.е. в последовательности нуклеотидов (например, гены рРНК ядрышковых организаторах) ;

• семейства генов, не отличающихся высокой гомологией, но связанных между собой функционально ( апример, гены комплекса гистосовместимости (HLA) и гены иммуноглобулинов.

Особенности генома митохондрий:

- не имеет интронов;

- транскрибируются или транслируются обе цепи. Код слегка отличается от универсального (UGA кодирует триптофан, AUA кодирует метионин, AGA и AGG являются стоп-кодонами);

-большинство генов мтДНК чередуются с одним геном транспортной РНК или более, которые служат разделяющими сигналами процессинга первичных транскриптов

Геном эукариот достигает сотен тысяч и миллиардов пар нуклеотидов. Генетический материал в эукариотитических клетках распределен в нескольких хромосомах, каждая из которых несет одну молекулу ДНК. При этом основная часть полинуклеотидной последовательности ДНК эукариот не кодирует белки и другие макромолекулы. Она называется молчащей ДНК.

Размеры генома прокариот около 106 пар нуклеотидов. Более половины бактериального генофора занимают стуктурные гены, кодирующие разнообразные белки. Структурные гены, определяющие синтез белков - ферментов, участвующих в одной цепи биохимических превращений, у прокариот образуют оперон.

Кроме них в состав оперона входит промотор и оператор - последовательность ДНК, способная взаимодействовать с регуляторными белками, в результате чего структурные гены могут «включаться» и «выключаться»

В основе молекулярных механизмов наследственности лежат процессы репликации, репарации и рекомбинации ДНК, а также экспрессии (проявления) генов, т.е. переноса генетической информации от ДНК через иРНК к белкам. Результатом экспрессии генов служит синтез белков, определяющих все проявления жизнедеятельности клеток и организма.

Репликация -процесс удвоения молекул ДНК, в ходе которого с помощью фермента ДНК-полимеразы из имеющихся в среде трифосфатов дезоксирибонуклеотидов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) комплементарно материнским цепям синтезируются дочерние цепи ДНК.

Вновь образованная молекула ДНК содержит одну материнскую и одну дочернюю полинуклеотидную цепь. Такой способ репликации называется полуконсервативным.

Репликация ДНК у эукариот начинается в особых участках, включающих примерно 300 нуклеотидов, которые называются точками начала репликации ( точки Оri). В этих точках с ДНК связывается несколько ферментов, под действием которых цепи ее на небольшом участке раскручиваются и раздвигаются, образуя фигуры, называемые репликационными глазками. Каждый глазок имеет две репликативные вилки, поэтому синтез дочерних цепей ДНК происходит сразу в двух направлениях. В результате репликация молекулы ДНК эукариот, несмотря на большие размеры ее, осуществляется достаточно быстро.

Участок между двумя точками, в которых начинается синтез дочерних цепей, называется репликоном. Он является единицей репликации. У эукариот удвоение ДНК в разных репликонах происходит не одновременно. Кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток, в отличие от эукариот, имеют одну точку начала репликации и представляют собой целиком отдельные репликоны.

В ходе репликации вилка перемещается вдоль материнской молекулы ДНК, расплетая все новые ее участки. Поскольку ДНК полимераза способна присоединять нуклеотиды лишь к 3`-концу растущей дочерней цепи, а нити молекулы ДНК антипараллельны, процесс репликации на материнских цепях ДНК протекает по-разному. На матрице (3`-5`) сборка новой цепи происходит непрерывно и она постепенно удлиняется на 3`-конце. Такая цепь называется лидирующей. Синтез второй цепи осуществляется прерывисто, короткими участками, также в направлении от 5`- к 3` -концу ( по типу шитья «назад иголкой»). Такие участки получили название фрагментов Оказаки. У прокариот они содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов, у эукариот-100 - 200 нуклеотидов. На заключительном этапе вновь синтезированные фрагменты Оказаки соединяются между собой при помощи фермента ДНК-лигазы. Цепь ДНК, синтезируемая прерывно называется – запаздывающей. Конечным результатом процесса репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК.

Процесс репликации происходит с большой скоростью. У прокариот длина вновь синтезируемой цепи ДНК увеличивается примерно на 500 нуклеотидов в сек., у эукариот, например, у человека,- на 50 нуклеотидов в сек.

Все 23 молекулы ДНК генома человека удваиваются за 7-10 часов.

Клетки обеспечивают « защиту» кодирующих участков ДНК от повреждения в ходе репликации посредством двух механизмов:

• наличия на концах молекул ДНК теломер- многократно повторяющихся последовательностей нуклеотидов , состоящих обычно из 6 нуклеотидов: TTAGGG, количество повторов которых варьирует от 10 до 100 и более;

• наличия особых ферментов – теломераз, способных «наращивать» одну из цепей ДНК.

Транскрипция - процесс перевода генетической информации в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК в последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК. Иными словами транскрипция - это синтез иРНК на матрице ДНК.

Сплайсинг осуществляется следующим образом.

Частицы, называемые маленькими ядерными рибонуклеопротеинами, или sn РНК , распознают места разрезания пре- РНК по характерным для них коротким нуклеотидным последовательностям на концах интронов, и соединяются с ними. РНК таких частиц называется малой ядерной РНК и состоят примерно из 150 нуклеотидов Затем , несколько частиц, объединяются между собой и с другими белками с образованием крупных молекулярных комплексов- сплайсосом. В сплайсомах интроны вырезаются и удаляются , а экзоны сшиваются между собой с восстановлением непрерывной нуклеотидной последовательности. После этого сплайсосомы распадаются, освобождая зрелую м РНК, которая состоит только из экзонов.

В некоторых случаях, сплайсинг происходит самопроизвольно вследствие действия особых последовательностей нуклеотидов, катализирующих расщепление первичного транскрипта в определенных точках. Такие, построенные из мономеров РНК ферменты получили название рибозимов.