План лекции Эволюция концепции гена Структура локализация и

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

1. Эволюция концепции гена 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 эукариот

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 Escherichia coli Saccharomyces cerevisiae Drosophila melanogaster Homo sapiens Размер генома, p. n. Средний размер гена, kb Приблизительное количество генов 4. 2 x 106 1. 2 2. 350 1. 3 x 107 1. 7 5. 200 1. 4 x 108 11. 3 8. 000 3. 16 x 109 16. 3 30 000 -40 000

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

Структура генов класса II

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

Кодирующий участок Site- инициации с кодоном ATG. Кодирующий участок: - eэкзоны, - 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 Разделение экзонов Современная концепция Кодируют биополимеры (sn. ARN) Участвуют в sрlising-ге (самоудаление учестков ДНК ) Ископаемые эволюции ДНК 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 2400 79 180 30 000

Промотор Ш Специальный участок на конце 5´ гена, который отвечает за прикрепление РНКполимеразы и инициацию транскрипции. Ш 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 Последовательность Локализация Размер ДНК Факторы транскрипции TATA-box - 30 10 p. n. TBP CAAT-box GGCCAATCT - 75 22 p. n. CTF/NF 1 GC-box TATAAAA GGGCGG - 90 20 p. n. SP 1 Octamer ATTTGCAT 20 p. n. Oct 1, Oct 2

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 I (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+20

Организация генов класса. III • 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 ШГеном бактерий состоит из двух типов генов: • основные гены (эухромосомные) – расположены в бактериальной хромосоме • вспомогательные гены (внехромосомные) – плазмиды, мобильные генетические элементы, фаги ШДНК имеет кольцевую форму, ШМолекула ДНК не образует комплекса с гистоновыми и негистоновыми белками (голая), ШГеном бактерий представлен ограниченным количеством генов, ШГеном бактерий содержит одну группу сцепления

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

Характеристика генома E. coli ШДНК имеет кольцевую форму, ШДлина ДНК: 1000 -1400 μm, ШДиаметр молекулы ДНК: 2, 5 nm, ШКоличество нуклеотидов: 2, 5 · 109 - daltoni, ШКоличество генов: около 4 000, ШРазнообразие плазмид – около 250 типов.

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

Разнообразие прокариотных генов (продолжение) ШПромотор • представляет участок оперона к которому прикрепляется РНК-полимераза и определяет начало транскрипции, ШТерминатор • представляет участок оперона который сигнализирует об окончании процесса транскрипции генетической информации, ШРепликатор • представляет функциональные участки ДНК которые управляют rрепликацией, ШИнициатор • ген определяющий синтез продукта который при взаимодействии с репликатором инициирцет репликацию ДНК,

Разнообразие прокариотных генов (продолжение) ШУчастки 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), ШГены р. РНК и т. РНК • определяют синтез р. РНК (10 -20 генов) и т. РНК (около 50 генов), ШУчастки связывания • фрагменты ДНК которые прикрепляются к цитоплазматической мембране (мезосомы), ШКриптические (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 Ш организованы в смешанных транскриптах и разделены spaceri- ми, Ш разбросаны” по геному и транскрибируются “ одновременно с другими генами

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

Механизмы транспозиции ШНерепликативная транспозиция ШРетротранспозиция

Генетическая регуляция у прокариот Ш 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 Ш 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 ШУ эукариот более сложные системы регуляции активности генов ШРегуляция 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 гистонгеликазами • 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 Ш 1. Транскрипционный • отбираются гены которые будут транскрибироваться в м. РНК Ш 2. Созревания м. РНК • определяется способ удаления интронов и сшивания экзонов в процессе образования м. РНК ------------------------Ш 3. Транспорт м. РНК • отбираются молекулы зрелой м. РНК которая переносится из ядра в цитоплазму Ш 4. Трансляционный • отбираются молекулы м. РНК которые транслируются в белки Ш 5. Разрушение м. РНК • отбираются молекулы м. РНК которые подвергаются деградации

Механизмы транскрипционной регуляции Ш 1. Отрицательная регуляция • гены функционируют только при наличии белков-репресоров Ш 2. Положительная регуляция • гены функционируют только при наличии белковиндукторов ------------------------- !!! 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