Эволюция представлений о гене и геноме Вельков В

Эволюция представлений о гене и геноме Вельков В В 2013

Один ген – один признак • Монах августинского монастыря Георг Иоанн Мендель, слова “ген” не знал. Но благодаря результатам своих опытов пришел к выводу, что у организмов существуют какие-то дискретные наследственные факторы, определяющие дискретные морфологические признаки. • Гениальный и дерзкий труд смиренного монаха, опубликованный в 1866 г. остался незамеченным

Ген • В 1900 г законы Менделя были переоткрыты. • • Правоту Менделя, совершенно не зная о нем, подтвердили в Голландии Гуго де Фриз, Карл Эрих Корренс в Германии и Эрих фон Чермак в Австрии. Термин “ген” в 1909 г предложил датский исследователь Вильгельм Иоганнсен

Один ген – одна биохимическая реакция В 1902 г английский врач А. Гаррод, исследуя родословные семей, пришел к выводу, что алкаптонурия, болезнь, связанная с нарушением обмена веществ, передается по наследству

Ген предопределяет наличие активного фермента • Сэр Арчибальд Гаррод, работая врачом в • • госпитале для больных детей и “демонстратором” химической патологии в больнице Св. Варфоломея, обнаружил, что алкаптонурия вызывается повреждением одного рецессивного гена и что болезнь проявляется, согласно анализу родословных, когда мутантный аллель находится в гомозиготном состоянии. • Вывод: повреждение одного гена вызывает отсутствие одной биохимической реакции.

Один ген - один фермент • В 1935 г Джордж Бидл и Борис Эфрусси • • изучали, как мутации в генах дрозофил влияют на окраску их глаз Обнаружено: различные мутации приводят к прекращению синтеза различных предшественников в пути биосинтеза глазного пигмента. Вывод: в норме гены обеспечивают наличие ферментов, осуществляющих биохимические реакции

«Биохимические» мутации • В 1940 Дж. Бидл и Эд. Татум • у микроскопического грибка Neurospora crassa получили мутанты, у которых отсутствовала активность того или иного фермента метаболизма. • Мутантный не мог синтезировать определенный метаболит (например, лейцин) и мог жить, когда лейцин был добавлен в питательную среду. • Сформулированная Дж. Бидлом и Э. Татумом теория “один ген - один фермент” - быстро получила широкое признание, а сами они были награждены Нобелевской Премией

Генетика и селекция промышленных микроорганизмов Методы селекции “биохимических мутаций” – привели к возникновению генетики и селекции промышленных микроорганизмов и к микробиологической промышленности, которая использует штаммы сверх продуцирующие антибиотики, витамины, аминокислоты, ферменты и др. В основе селекции и генно-инженерного конструирования сверхпродуцентов – концепция: “один ген кодирует один фермент”. Эта концепция приносит многомиллиардные прибыли и спасает миллионы жизней

Seymour Benzer

Один ген – один полипетид • В 1953 г Сеймур Бензер, исследуя особенности рекомбинации между двумя различными мутантами бактериофага Т 4, одновременно заражавших Escherichia coli, установил • ген - линейная структура, кодирующая синтез одного полипептида (структурный ген, цистрон), • функциональный белок может состоять из нескольких полипептидов, при этом полипептиды в индивидуальном виде свою функцию выполнять не могут • за исключением случаев, когда функциональный белок состоит из одного полипептида.

Ген – это участок ДНК • 1928 г - наследственные признаки определяются ДНК, Ф. Гриффит и О. Эвери, • в 1944 г подтверждено Ч. Мак-Леодом и М. Мак. Карти • 1953 г в 1944 Дж. Уотсоном и Ф. Крик – ДНК - это линейная двунитевая молекула, • Ген - это участок ДНК, в котором последовательность нуклеотидов определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Регуляторный ген - участок ДНК, к которому присоединяется регуляторный белок • Георг Мендель: “морфологические • • мутации” Арчибальд Гаррод - “биохимические мутации”), Сеймур Бензер - мутации в «структурных генах» Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андрэ Львов регуляторные мутации: одна мутация может приводить к исчезновению активности сразу нескольких генов • Нобелевская премия 1965 г

Оперон несколько генов, транскрибируемых как единая полистронная РНК .

Типы мутаций в генах

Типы мутаций в хромосомах

Геном – сумма оперонов • В геноме E. coli 2584 оперона • 73% оперонов - только 1 цистрон, • 16% - 2 цистрона, • 4, 6% - 3 цистрона, • 6% - 4 и более цистронов.

Устаревший принцип коллинеарности генов, м. РНК и белков • Нуклеотидная последовательность структурного гена соответствует: • нуклеотидной последовательности м. РНК, которая соответствует, • аминокислотной последовательности белка

Репликация

Транскрипция

Мобильные гены

Мозаичная структура эукариотных генов • 1977 г исследовательские группы под рук. Р. Робертса и • • Ф. Шарпа. – нарушение принципа коллинеарности Ввнутри генов эукариот - интроны - участки, не кодирующие ни полипептидов, ни стабильных РНК. intervening zone – зона, “перемежающая, смысловую последовательность гена. Участки, которые кодируют - экзоны. expressing zone – экспрессируемая зона гена. Экзоны, как правило, кодирует модули или домены белков. Обычно, экзон кодирует участок полипептида в 30 -40 аминокислот. Большинство интронов имеет длину от 40 до 125 нп

Сплайсинг

Цис-сплайсинг

Альтернативный сплайсинг

Один ген - множество белков • Путь стыковки экзонов одного гена, может быть • • множественным. Некоторые экзоны удаляются вместе с интронами. Альтернативный сплайсинг : один ген может кодировать семейство структурно схожих, но функционально разных белков. Известное максимальное количество разных белков, которое может кодировать один ген, - около 40 000! Ген дрозофилы, одного из белков рецептора аксона за счет альтернативного слайсинга может приводить к образованию 38016 различных информационных РНК. содержит 95 альтернативных экзонов. по крайней мере 74% генов человека работает с помощью альтернативного сплайсинга!

Альтернативный сплайсинг и эволюция • Материал эволюции - генетическое • • разнообразие, двигатель - естественный отбор. Комбинация из трех генов, каждый из которых может кодировать по 1 000 вариантов белков, дает 1 000 000 возможностей для естественного отбора 1 млрд изоформ трех белков

Exon Shuffling

Why have the introns been retained in eukaryotes? 1. The need to remove introns, allows for alternative splicing which can generate multiple proteins from a single gene. 2. Having the coding sequence of genes divided into several exons allows new genes to be created by reshuffling exon.

Exons are shuffled by recombin-ation to produce gene encoding new proteins All eukaryotes have introns, and yet these elements are rare in bacteria. Two likely explanations for these situation: 1. Introns early model – introns existed in all organisms but have been lost from bacteria. 2. Intron late model – introns never existed in bacteria but rather arose later in evolution.

Exons have been reused in genes encoding different proteins

Alternative splicing frequency in various species. 46

How many genes do you need to make a complex multicellular organism? No. cell types Species 1 Mycoplasma genitalium (B) 470 1 Haemophilus influenzae (B) 1 709 1 Eschericia coli (B) 4 288 1 Archaeoglobus fulgidus (A) 2 436 1 Methanococcus janaschii (A) 1 738 2 Bacillus subtilis (B) 4 100 2 Caulobacter crescentus (B) 4 100 3 Saccharomyces cerevisiae (E) 6 241 ~30 Arabidopsis thaliana (E) 24 000 ~50* Caenorhabditis elegans (E) 18 424 ~50 Drosophila melanogaster (E) 13 601 ~120* Homo sapiens (E) 30 000 *C. elegans has 300 neurons, humans have 10 billion Has alternative splicing allowed complexity to evolve? Genes