План лекции 1. Эволюция концепции гена. 2. Структура,

План лекции 1. Эволюция концепции гена. 2. Структура, локализация и функции генов. 3. Классификация и строение эукариотных генов. 4. Особенности организации генов прокариот.

G. Mendel Понятие о наследственных факторах W. Johannsen, 1909 Ген – – элементарная неделимая единица наследственности G. W. Beadle, E. L. Tatum, 1945 Гипотеза “ “ Один ген – один фермент ”” Ingram, 1957 Гипотеза “ “ Один ген – один полипептид ”” P. A. Sharp, 1977 W. Gilbert, 1978 Экзон – интронное строение генов у эукариот1. 1. Эволюция концепции гена

2. Современная концепция гена ?

Физическое определение – ген это участок хромосомы, который содержит последовательность нуклеотидов

Функциональное определение — ген это информационная единица, которая обеспечивает синтез РНК

Генетическое определение – ген это единица наследственности, которая определяет отдельный признак организма

Ген – участок ДНК, содержащий информацию о синтезе: — полипептидной цепи; — родственных полипептидныхцепей; — молекул РНК (т. РНК, р. РНК). Ген является структурной и функциональной единицей наследственности и изменчивости организмов

Общее строение генов

Локализация генов : Гены расположены вдоль молекулы ДНК ; Гены представлены уникальными и повторяющимися последовательностями ; Гены разделены некодирующими последовательностями ( spacer ) ; Гены не располагают строгими морфологическими рамками ; они разделены лишь функционально ; Размеры генов варьируют.

Функции генов : На молекулярном уровне – контроль синтеза полипептида , образование функциональных белков На клеточном уровне – образование клеточных структур , метаболической цепи и др. На тканевом и органном уровне – реализация специфических функций ( дыхание, питание, мышечное сокращение и др. ) На уровне организма определение специфического признака

Количество и размер генов у разных организмов Вид Размер генома , , pp. . nn. . Средний размер гена , kb Приблизитель-но е количество генов Escherichia coli 4. 2 x 10 66 1. 2 22. . 350350 Saccharomyces cerevisiae 1. 3 x 10 77 1. 7 55. . 200200 Drosophila melanogaster 1. 4 x 10 88 11. 3 88. . 000000 Homo sapiens 3. 3. 1616 x 10 99 16. 3 30 000 —

Размер генома человека– 3, 3 x 109 p. n. — 2% генома человека кодирует белки — количество генов ≈ 30 000 пар — локализация генов – в хромосомах (37 генов в митохондриях ) — в 1 -й хромосоме больше всего генов – 2968 — в Y хромосоме меньше всего генов – 307 — выполняемые функции известны для более 50% генов — Размер генов – в среднем 10 -15 kb — ген β-глобина – 1, 5 kb — ген инсулина – 1, 7 kb — ген каталазы – 34 kb — ген дистрофина – 2, 4 Mb

3. Классификация генов у эукариот Гены класса I – кодируют р. РНК (5. 8 S ; 18 S ; 28 S ); Гены класса II – кодируют белки , транскрибируются в м. РНК; Гены класса III – кодируют 5 S р. РНК и т. РНК.

Структура генов класса IIII

Структурный ген – представляет комплекс последовательностей ДНК с генетической и регуляторной функцией, обеспечивающий передачу информации в признак – p полипептид. Регуляторный участок Кодирующий участок — экзоны — интроны 1. Промотор — проксимальные элементы (ТАТА, СААТ, GC ) — дистальные элементы ( Enh, S) 2. Терминатор r — сигнальный участок, — участок для полиаденилирования, — терминатор

Кодирующий участок Site- инициации с кодоном ATG. Кодирующий участок: — e экзоны , — интроны. • Экзоны – кодирующие участки генов которые транскрибируются в м. РНК и реализуются в последовательности аминокислот в молекуле белка. • Интроны – неинформационные участки, которые транскрибируются , но затем удаляются в процессе созревания м. РНК.

Функции интронов Классическая концепция Современная концепция Разделение экзонов Кодируют биополимеры ( sn. ARN )) Участвуют в ss рр lising -ге (самоудаление учестков ДНКДНК )) Ископаемые эволюции ДНКДНК Обеспечивают экспрессию генов

Размеры экзонов и интронов в различных генах человека Продукт гена Размер гена ( kb) Кол-во экзонов Средний размер экзонов ( pn ) Средний размер интронов ( pn ) Инсулин 1, 4 3 155 480 β -глобин 1, 6 3 150 490 Коллаген 31 118 77 190 Фактор VIII 186 26 96 3500 Дистрофин

Промотор Специальный участок на конце 5 ´ гена, который отвечает за прикрепление РНК-полимеразы и инициацию транскрипции. Включает: — ТАТА бокс – обеспечивает правильную ориентацию РНК-полимеразы, — СААТ бокс – управляет прикрепление инициирующих белков к РНК-полимеразе, — GC бокс – определяет направление транскрипции, — октамерный бокс – участки для прикрепления факторов транскрипции.

Структурные элементы промотора генов эукариот Структурный элемент Последова-тел ьность Локализация Размер ДНК Факторы транскрипции TATA-box TATAAAA — 30 10 p. . nn. . TBPTBP CAAT-box GGCCAATCT — 75 22 p. . n. n. CTF/NF 1 GC-box GGGCGG — 90 20 p. . nn. . SP 1 Octamer ATTTGCAT 20 p. . nn. . Oct 1, Oct

Терминатор • расположен на конце 3 ´ кодогенной цепи и представлен обратным повтором

Модулирующие участки Enh, S • расположены на конце 5 ´ или в интронах, • служат для прикрепления специальных белков, которые увеличивают или уменьшают скорость транскрипции.

Структура генов класса II (р. РНК) • кодируют 5, 8 S; 18 S; 28 S РНК, • расположены вблизи организатора ядрышка, • организованы в смешанных транскриптах с умеренными повторами (до 200 -300 раз) и разделенв spacer -ами , • не содержат интронов , • промотор расположен на растоянии — 45+

Организация генов класса IIIIII • кодируют 5 S р. РНК и т. РНК, • организованы в виде повторяющихся тандемов (до 3000 раз), • промотор расположен внутри транскрибируемого участка (+55+80), • смешивается с псевдогенами.

4. Особенности генетического материала у прокариот Геном бактерий состоит из двух типов генов : • основные гены ( эухромосомные ) – расположены в бактериальной хромосоме • вспомогательные гены ( внехромосомные ) – плазмиды , мобильные генетические элементы, фаги ДНК имеет кольцевую форму , Молекула ДНК не образует комплекса с гистоновыми и негистоновыми белками ( голая ) , Геном бактерий представлен ограниченным количеством генов, Геном бактерий содержит одну группу сцепления

4. Особенности генетического материала у прокариот ( продолжение ) Бактерии являются гаплоидными организмами , но могут быть частично диплоидными или диплоидными в зависимости от синтеза ДНК , Передача наследственных признаков отличается от таковой у эукариот , т. к. отсутствует классический половой процесс , Структурные гены имеют более простую организацию и объединены в опероны, Оперон имеет промотор и несколько структурных генов, Интроны отсутствуют, а некодифицирующих участков очень мало

Характеристика генома E. coli ДНК имеет кольцевую форму , Длина ДНК: 1000 -1400 μ m , Диаметр молекулы ДНК: 2, 5 nm , Количество нуклеотидов: 2, 5 · 1 09 — daltoni, Количество генов: около 4 000, Разнообразие плазмид – около 250 типов.

Разнообразие прокариотных генов Структурные гены • определяют первичную структуру белков ( около 90% из всех генов ), • в геноме могут быть организованы в опероны (Jacob, Monod, 1961) Регуляторные гены • определяют активность структурных генов посредством своего продукта ( репрессор или апорепрессор ), Операторные гены • представляют рецепторы для сигналов ( репрессора или индуктора ) обеспечивают функционирование оперона , • являются составной частью оперона ,

Разнообразие прокариотных генов ( продолжение ) Промотор • представляет участок оперона к которому прикрепляется РНК-полимераза и определяет начало транскрипции , Терминатор • представляет участок оперона который сигнализирует об окончании процесса транскрипции генетической информации , Репликатор • представляет функциональные участки ДНК которые управляют r репликацией , Инициатор • ген определяющий синтез продукта который при взаимодействии с репликатором инициирцет репликацию ДНК ,

Разнообразие прокариотных генов ( продолжение ) Участки инициации • малые фрагменты ДНК (1 -2 гена : около 800 -1400 нуклеотидов ) которые могут передвигаться в бактериальном геноме либо сами, либо в комплексе с структурными генами ( транспозоны ), Гены р. РНК и т. РНК • определяют синтез р. РНК (10 -20 генов ) и т. РНК ( около 50 генов ), Участки связывания • фрагменты ДНК которые прикрепляются к цитоплазматической мембране ( мезосомы ), Криптические ( молчащие ) гены • гены которые обычно не проявляются на протяжении жизни бактерий.

Строение оперона у прокариот (F. Jacob, J. Monod, 1961)

Строение генов р. РНК и т. РНК у прокариот организованы в смешанных транскриптах и разделены spaceri — ми, ““ разбросаны ” ” по геному и транскрибируются одновременно с другими генами

Транспозоны (мобильные генетические элементы) Участки ДНК, способные передвигаться по геному. У эукариот составляют 10 -20% генома. Выделяются простые и сложные транспозоны.

Механизмы транспозиции Нерепликативная транспозиция Ретротранспозиция

Генетическая регуляция у прокариот 1. Индукция – данный тип регуляции характерен при синтезе ферментов катаболизма • Фиксация белка супрессора к гену оператора при отсутствии субстрата в клетке и блокирование транскрипции функциональных генов • Отсутствие синтеза ферментов которые участвуют в разложении субстрата • Прикрепление субстрата ( при наличии субстрата !) к репрессору • Отсутствие прикрепления репрессора к операторному гену • Активизация структурных генов , транскрипция и. РНК и синтез специфических ферментов для метаболизации субстрата !!! До тех пор, пока в клетке присутствует субстрат , постоянно синтетизируется фермент его разлагающий !!! При истощении субстрата , освобождается репрессор и блокирует посредством оператора функционирование структурных генов

Генетическая регуляция у прокариот 2. Репрессия – данный тип регуляции характерен при синтезе ферментов анаболизма • Белок репрессор блокирует оператор в ассоциации с субстратом • В отсутствии субстрата оператор является свободным и структурные гены функционируют • Процесс транскрипции и. РНК и синтеза необходимых ферментов продолжается до появления избытка субстрата • Избыток субстрата связывается с белком репрессором и блокирует оператор • В итоге , структурные гены инактивируются и синтез соответствующих ферментов прекращается

Генетическая регуляция у эукариот У эукариот более сложные системы регуляции активности генов Регуляция активности генов эукариот осуществляется различными факторами : • Наличием ядра, отделенного от цитоплазма двойной мембраной • Строением хромосом и наличием комплекса ДНК — гистоны — Гены активируются одновременно с удалением гистонов гистон-геликазами • Наличием различных систем регуляции характерных для организма ( главным образом, гормонов ) — Некоторые стероидные гормоны фиксируются в цитоплазме к специфическим рецепторам и в виде рецептор-гормон проникает в ядро где дифференциально активируют гены (Watson et al. , 1983)

Уровни генетической регуляции у эукариот 1. Транскрипционный • отбираются гены которые будут транскрибироваться в м. РНК 2. Созревания м. РНК • определяется способ удаления интронов и сшивания экзонов в процессе образования м. РНК — — — — — — — — — — — — — 3. Транспорт м. РНК • отбираются молекулы зрелой м. РНК которая переносится из ядра в цитоплазму 4. Трансляционный • отбираются молекулы м. РНК которые транслируются в белки 5. Разрушение м. РНК • отбираются молекулы м. РНК которые подвергаются деградации

Механизмы транскрипционной регуляции 1. Отрицательная регуляция • гены функционируют только при наличии белков-репресоров 2. Положительная регуляция • гены функционируют только при наличии белков-индукторов — — — — — — — — — — — — — !!! Преобладает механизм положительной регуляции , т. к. экономнее синтезировать белки-индукторы для 7 -10% ДНК , которые транскрибируется в м. РНК , чем синтезировать белки-репресоры для 90 -93% генома.

Выводы : • Ген занимает определенное место ( локус ) в хромосоме • Ген представляет функциональную единицу генетической информации • В рамках гена могут происходить рекомбинации ( реконы ) и мутации ( мутоны ) • Существуют функциональные и структурные гены • Структурные гены кодируют белки • Функциональные гены контролируют работу структурных генов • Расположение триплетов нуклеотидов в структурных генах соответствует расположению аминокислот в белке , кодируемым данным геном • Функция гена регулируется внешними и внутренними факторами • Существуют различные системы регуляции активности генов