129 Сплайсинг ПРОЦЕССИНГ 130 Процесс удаления интрона

129 Сплайсинг ПРОЦЕССИНГ

130 Процесс удаления интрона из молекулы ядерной пре-м. РНК N – любой нуклеотид R – пурин (pu. Rine) Y – пиримидин (p. Yrimidine)

131 Модель формирования сплайсеосомы и удаления интрона мя. РНП (малые ядерные рибонуклопротеиды) сплайсеосом млекопитающих содержат U 1 -, U 2 -, U 4 -, U 5 - и U 6 -РНК

132 Автокаталитический сплайсинг Самосплайсинг интронов группы I Нуклеофильная атака Гены некоторых p. РНК низших эукариот (Tetrahymena) Первая стадия в каскаде реакций автосплайсинга присоединение к интрону гуанозина

132 Автокаталитический сплайсинг Самосплайсинг интронов группы II (Митохондрии дрожжей)

133 Альтернативный сплайсинг В некоторых случаях в аминокислотные последовательности транслируются не все существующие экзоны. В результате с одного гена считывается более одного типа м. РНК. Схема возможных вариантов альтернативного сплайсинга

134 Схема альтернативного сплайсинга в гене Broad-Complex у дрозофилы В интронах некоторых генов располагаются другие гены Расположение гена sina в интроне гена Rh 4 у дрозофилы

Определение эукариотического гена 135 Ген - совокупность сегментов ДНК, которые вместе составляют экспрессируемую единицу, обусловливающую образование специфического функционального продукта - либо молекулы РНК, либо полипептида К сегментам ДНК, составляющим ген, относятся: 1. Единица транскрипции, которая представляет собой протяженный участок ДНК, кодирующий последовательность первичного транскрипта; в нее входят а) последовательность, кодирующая либо зрелую РНК, либо белковый продукт; б) интроны; в) 5'-лидерная и 3'-трейлерная последовательности, которые присутствуют в зрелых м. РНК, а также промежуточные последовательности (спейсеры), которые удаляются в ходе процессинга первичных транскриптов генов, кодирующих РНК. 2. Минимальные последовательности, необходимые для начала правильной транскрипции (промотор) и для образования правильного 3'-конца зрелой РНК. 3. Последовательности, регулирующие частоту инициации транскрипции; к ним относятся последовательности, ответственные за индуцибельность и репрессию транскрипции, а также клеточную, тканевую и временную специфичность транскрипции. Эти области так разнообразны по строению, положению и функциям, что для них трудно найти одно простое и емкое название. К их числу относятся энхансеры и сайленсеры последовательности, которые оказывают дистанционное влияние на инициацию транскрипции независимо от своей ориентации относительно точки начала транскрипции.

137 РАСПОЛОЖЕНИЕ ГЕНОВ В ХРОМОСОМАХ ЭУКАРИОТ Кластеры глобиновых генов в хромосомах 16 и 11 человека и стадии развития на которых они экспрессируются Большая часть гемоглобина в крови взрослого человека: a 2 b 2 Расположение генов т. РНК в районе 42 А 2 R-хромосомы D. melanogaster тпн

138 РАСПОЛОЖЕНИЕ ГЕНОВ В ХРОМОСОМАХ ЭУКАРИОТ Схема организации повторяющейся единицы в кластере генов 18 S и 28 S р. РНК у дрозофилы Единица содержит гены 18 S и 28 S рибосомной РНК, транскрибируемый (занятый последовательностью 5, 8 S) и нетранскрибируемый спейсеры. Значительная часть (до 48 %) генов 28 S р. РНК содержит инсерции мобильного (R 1) элемента Схема организации генов, кодирующих гистоны в повторяющейся единице у D. melanogaster Отдельные гены в пределах повторенной единицы транскрибируются в противоположных направлениях

139 РАСПОЛОЖЕНИЕ ГЕНОВ В ХРОМОСОМАХ ЭУКАРИОТ Кластеры генов, контролирующих развитие головной (lab-Antp) и брюшной (Ubx-Abd-B) частей тела дрозофилы

СТРУКТУРА ГЕНОМА ЭУКАРИОТ Главной особенностью генетического материала эукариот в сравнении с прокариотами является наличие избыточной ДНК Геном Е. соli на 88, 6% У человека только 1% генома занят генами, а приходится на кодирующие экзоны, межгенные участки 24% на некодирующие интроны и составляют около 11% 75% на межгенные промежутки 140 Фундаментальная особенность молекулярной структуры генома эукариот - наличие повторяющихся последовательностей нуклеотидов Различают следующие фракции ДНК в геноме эукариот: 1. Уникальные последовательности, т. е. представленные в одном экземпляре. 2. Промежуточные (или среднечастотные) повторы. Это последовательности, повторяющиеся десятки и сотни раз. 3. Высокочастотные повторы, число которых в геноме достигает 106 копий

140. 5 РАЗМЕРЫ НЕКОТОРЫХ ГЕНОМОВ Note: This information is constantly being refined. For the most current information, consult the websites for the individual genome projects. *The diploid chromosome number is given for all eukaryotes except yeast. †Haploid chromosome number. Wild yeast strains generally have eight (octoploid) or more sets of these chromosomes. ‡Number for females, with two X chromosomes. Males have an X but no Y, thus 11 chromosomes in all.

141 СТРУКТУРА ГЕНОМА ЭУКАРИОТ Сателлитная ДНК - фракция генома представленная небольшим (10 -15) числом семейств коротких (5 -12 пн) повторов, образующих протяженные блоки. У большинства видов эта фракция занимает не более 10% генома 90% генома эукариот построены по принципу чередования (интерсперсии) уникальных и повторяющихся последовательностей Выделяют два основных типа интерсперсии: интерсперсия типа “ксенопус” (обнаружена y Xenopus laevis) и типа “дрозофила” (впервые описана у D. melanogaster) а б Схема чередования последовательностей нуклеотидов разной степени повторяемости в геномах типа Xenopus (а) и типа Drosophila (б) 1 - уникальная последовательность, 2 диспергированная повторяющаяся последовательность; n 1 и n 2 короткие повторы. Слева указаны доли генома (%) с данным типом чередования последовательностей

142 МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГЕНОМА В начале 40 -х гг. было открыто существование гена, или локуса, который вызывал повышение частоты хромосомных перестроек у кукурузы. Среди потомков от скрещивания, в котором оба родителя несли такие перестройки, появлялись нестабильные мутации с неожиданно высокой частотой. Этот локус, вызывающий разрыв хромосом, оказался совершенно необычным, поскольку может перемещаться из одного участка хромосомы в другой. Б. Мак-Клинток назвала феномен перемещения транспозицией, а сами локусы - контролирующими Барбара Мак-Клинток элементами. Контролирующие элементы (КЭ) характеризуются следующими свойствами: 1) они могут перемещаться из одного сайта в другой; 2) их встраивание в данный район влияет на активность генов, расположенных рядом; 3) утрата КЭ в данном локусе превращает прежде мутабильный локус в стабильный; 4) в сайтах, в которых присутствуют КЭ, могут возникать делеции, транслокации, транспозиции, инверсии, а также разрывы хромосом.

143 МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГЕНОМА Семейство мобильных элементов Ac-Ds у кукурузы Структура автономного Ac-элемента (а) и неавтономных Dsэлементов (б) Изменение окраски кукурузного зерна под влиянием перемещений элементов Ac-Ds

144 Классификация мобильных элементов Ретротранспозоны составляют как минимум 2% генома у дрозофилы и более 40% у некоторых растений LTR - длинные концевые повторы RT - обратная транскриптаза RH - РНКаза. H, рибонуклеаза H Int - интеграза Pr - протеаза OFR - открытая рамка считывания

145 Структура ретротранспозонов (класс I) LTR - длинные концевые повторы; RT - обратная транскриптаза; RH - РНКаза. H, рибонуклеаза H; Int - итеграза; Pr - протеаза; PPT - сайт для праймирования второй цепи ДНК; PBS - т. РНК-праймер-связывающийся сайт; OFR - открытая рамка считывания

146 Структура ретротранспозонов (класс I) LTR - длинные концевые повторы; RT - обратная транскриптаза; RH - РНКаза. H, рибонуклеаза H; Int - итеграза; Pr - протеаза; PPT - сайт для праймирования второй цепи ДНК; PBS - т. РНК-праймер-связывающийся сайт; OFR - открытая рамка считывания

147 Классификация мобильных элементов

147. 5 Мобильные элементы в геноме человека LINEs - Long interspersed elements, 6 to 8 kbp long, typically include a few genes encoding proteins that catalyze transposition. The genome has about 850, 000 LINEs. SSR - simple sequence repeats SD - large segmental duplications SINEs - Short interspersed elements are about 100 to 300 bp long. Of the 1. 5 million in the human genome more than 1 million are Alu elements. The genome also contains 450, 000 copies of retroviruslike transposons, 1. 5 to 11 kbp long. Although these are “trapped” in the genome and cannot move from one cell to another, they are evolutionarily related to the retroviruses, which include HIV. A final class of transposons (making up 1% and not shown here) consists of a variety of transposon remnants that differ greatly in length.

148 Mобильные элементы у дрозофилы Схема скрещиваний при гибридном дисгенезе дисгенез нормальное потомство Гибридный дисгенез асимметричен. Он проявляется только в одном из реципрокных скрещиваний Структура и организация транскрипции P-элемента у D. melanogaster Белыми стрелками указаны дупликации хозяйской ДНК в месте встройки (8 пн), черными - терминальный (31 пн) и внутренний (11 пн) инвертированные повторы.

149 Mобильные элементы у дрозофилы Репрессор 66 к. Да – укороченная транспозаза, которая получается если интрон 2 -3 не сплайсируется. Репрессор подавляет транскрипцию Модель гибридного дисгенеза, основанная на взаимодействии между P-элементами в геноме и репрессорным белком 66 к. Да в цитотипе

150 Схема организации Ту-элемента у дрожжей Ty-элемент кодирует обратную транскриптазу ОРС 1 и ОРС 2 - открытые рамки считывания, светлый промежуток в ОРС 1 - энхансерный элемент

151 МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОКАРИОТ IS-элементы Схема строения и инсерции IS-элемента в хромосомную ДНК бактерии A - IS-элемент с IR-длиной 9 пн Б - образование двухцепочечного надреза в ДНК бактерии В- инсерции IS-элемента в участке надреза Г - достраивание фрагмента ДНК в месте надреза и образовании дуплекации ДНК бактерии В клетках E. coli до 30 IS-элементов, которые имеют размер 768 -1329 пн и содержат ген транспозазы.

152 МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОКАРИОТ Транспозоны Структура несложного (noncomposite) транспозона Tn 3 в геноме E. coli. В центральном районе имеется три гена. Короткие инвертированные повторы на концах не связаны с IS-элементами Структура сложного (composite) транспозона Tn 10 в геноме E. coli. Центральный район, несущий ген (гены) устойчивости к тетрациклину, фланкирован прямыми или инвертированными ISэлементами, которые имеют собственные терминальные инвертированные повторы.

153 МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОКАРИОТ IS-элементы и транспозоны в плазмидах Плазмида – внехромосомная кольцевая двухцепочечная молекула ДНК, способная к автономной репликации в клетке-хозяине

154 МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОКАРИОТ Бактериофаг Mu Структура умеренного бактериофага Mu в виде фаговой частицы (а) и профага, встроенного в хромосму (б) E. coli

155 ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Мобильные элементы 1. Перемещения и внедрение мобильных часто получают названия, элементов в гены может вызывать мутации отражающие их способность к 2. Изменение состояния активности генов перемещению: Магеллан, hobo - бродяга, gypsy 3. Формирование хромосомных перестроек цыган, flea - блоха, burdock 4. Формирование теломер - репейник, jockey – наездник, stowaway – 5. Участие в горизонтальном переносе генов безбилетный пассажир ДКП - длинный концевой повтор - энхансер - сайленсер - сигнал сплайсинга - сайт осановки транскрипции

156 ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Подвижный промотор В случае ретротранспозонов особые возможности для перенесения и изменения регуляторных сигналов возникают тогда, когда сам элемент удаляется за счет кроссинговера между LTR с идентичными последовательностями, в результате чего сохраняется лишь один LTR на месте внедрения ретротранспозона Некоторые подвижные элементы могут нести короткие нуклеотидные последовательности, которые работают как инсуляторы.

157 ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В результате кроссинговера между одинаково ориентированными элементами возникает делеция и дупликация материала, расположенного между инсерциями. Если инсерции ориентированы в противоположном направлении, возникает инверсия