Генетический материал клетки Уровни его организации Наследственность

Генетический материал клетки. Уровни его организации • Наследственность и изменчивость являются одними из главных свойств живой материи. Эти свойства обеспечиваются функционированием особого материального субстрата – генетического материала. • Генетическим материалом клетки является молекула ДНК функции ГМ • • • Репликация хранение наследственной информации экспрессия этой информации изменчивость, • уровни организации ГМ генный хромосомный геномный

Клеточный поток генетической информации от ДНК к белку ДНК Транскрипция ДНК м-РНК т-РНК р-РНК Рибос омы Трансляция РНК Белок

Генный уровень организации ГМ Единицей функционирования генного уровня организации генетического материала и единицей генетической информации является ген. Свойство белка, определяемое последовательностью аминокислот, является элементарным или простым признаком. Ген – это участок ДНК, на котором закодирована информация о структуре РНК или полипептидной цепи. Ген – это единица наследственной информации, занимающая определенное положение в хромосоме или геноме и контролирующее выполнение определенной функции в организме. Ген, кодируя последовательность аминокислот в белках, несет информацию о признаках данного организма. Бидл и Тэйтум (1941), сформулировали гипотезу «один ген - один фермент» : В. Ингрэм (1957) предложил уточнить формулировку гипотезы «один ген – один фермент» в виде «один ген – одна полипептидная цепь» .

Тонкая структура гена Р. Робетсон и Ф. Шарп установили факт существования расщепленных генов, то есть, генов, состоящих из кодирующих и некодирующих последовательности нуклеотидов, которые были названы, соответственно, экзонами и интронами. Экзоны – это кодирующие последовательности нуклеотидов, а интроны – не- кодирующие последовательности. Интрон-экзонная структура гена характерна для генов эукариот. Альтернативный сплайсинг

Тонкая структура гена • Тонкую структуру ген изучал С. Бензер у бактериофага Т 4 • Единицей генетической функции является цистрон, единицей генетической рекомбинации гена – рекон, а единицей генетической изменчивости – мутон. • Минимальное количество наследственного материала, способного, изменяясь, приводит к появлению новых признаков, называется мутон.

Цистрон - это участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одной полипептидной цепи. Если белок состоит из нескольких субъединиц (гемоглобин), то его ген состоит из нескольких цистронов Если белок состоит из одно полипептидной цепи то, термины ген и цистрон тождест венны

Наименьшая часть гена, рекомбинирую - шаяся в процессе кроссинговера, называ- ется рекон и она является элементарной единицей рекомбинации. Рекомбинация генов - это процесс образования новых сочетаний генов в процессе кроссинговера Внутригенный кроссинговер с неравноценным обменом наследственного материала : I – неравноценный кроссинговер между гомологичными хромосомами; II – выпадение 3 и 4 фрагментов; III – удвоение 3 и 4 фрагментов

Классификация генов Конститутивные гены – это основная масса генов функционирующих на протяжении всего онтогенеза организма. Это гены белков общего назначения(рибо сомальные белки, гистоны, тубулины и т. д. ), гены 4 видов р. РНК и несколько десятков генов т. РНК. структурные гены детерминируют синтез специфических продуктов гены-регуляторы – это гены, которые стимулируют или запрещают соединение РНК-полимеразы (фермента, катализирующего транскрипцию) с геном Подвижные генетические элементы – транспозоны

В зависимости от функции первичного продукта гены делятся на: гены ферментов, модуляторов белковой функции, рецепторов, транскрипцион- ных факторов, белков внутриклеточного и внеклеточного матрикса, транс мембранных переносчиков, структур ионных каналов, молекул клеточных сигналов, гормонов белковой природы, иммуноглобулинов. Количественное распределение генов, участвующих в основных процес- сах клеток человека, следующее: 22% составляют гены, контролирующие синтез РНК и белков; 12% - гены клеточного деления, 12% - клеточные сиг - налы, 12% - защита клетки, 17% - обмен веществ, 8% - клеточные структуры, 17% - функция неизвестна. Ген-кандидат - это ген, измененный продукт которого может стать причиной определенного наследственного заболевания. Псевдоген – это ген сходный по нуклеотидной последовательности с известным геном, но не выполняющий такую же функцию либо из-за потери промотора, либо несущий мутацию, которая препятствует его экспрессии.

Гены эукариотических организмов регуляторная часть кодирующая часть промоторы терминаторы , энхансеры сайленсеры экзоны и интроны (для м. РНК); кодирующие последовательности и спейсеры (для р. РНК), кодирующую последовательность и один интрон (для т. РНК). 5'- и 3'-нетранслируемые после довательности (5'-НТП и 3'-НТП). Для некоторых генов известна кластерная организация. В кластер объединены гены, которые являются членами мультигенных семейств, которые содержат гомологич ные последовательности одного гена-редшественника и их генные продукты часто имеют сходные функции. Белки, которые кодируется такими генами, называются паралогами.

Кластер генов гемоглобина гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого организма, формула - (2α, 2β); гемоглобин А 2 - гемоглобин взрослого человека, но содержится в организме в меньшей концентрации ( 2% общего гемоглобина), формула - (2α, 2δ); эмбриональный гемоглобин, ; формула – (2ζ, 2ε); гемоглобин F – фетальный гемоглобин. Замещает эмбриональный гемоглобин на 6 месяце развития плода; формула - (2α, 2γ);

Кластеров генов р. РНК эукариот

Структура эукариотического гена, кодирующего белок

Структура генов прокариот Транскриптон прокариот

Схема строения lас-оперона

Схема функционирования lac-оперона

Хромосомный уровень организации генетического материала Хромосомы - это нуклеопротеидные тела, в которых хранится, передается потомству и реализуется наследственная информация. Хромосомы вирусов прокариот и клеточных органелл эукариот; Одна молекула двуспиральной ДНК. Кольцевая форма, закру - ченная в шпильку и линей- ная форма (бактериофаг λ). ДНК бактерий кольцевая двухцепочная, упакована в структуру, которая называ - ется нуклеоид. Хромосомы клеток эукариот, имеющие разную морфологию в митозе и интерфазе. ДНК (40%), белки ( около 60%), РНК (4%), липиды, углеводы, ионы металлов (менее 1%) Роль компонентов хромосом заключается в «разрешении» или «запрещении» считывания информации с молекулы ДНК. HU, INF, H 1, HLP, H.

Роль компонентов хромосом заключается в «разрешении» или «запрещении» считывания информации с молекулы ДНК, поэтому хромосомы могут находится в состояниях: генетически активном (деспирализованном) с осуществ- лением процессов репликации и транскрипции; генетически неактивном (спирализованном), осуществ ляющим перенос информации из родительских клеток в дочерние в процессе митоза На разных этапах клеточного цикла молекулы ДНК упакованы в нуклео- протеиновые структуры – хроматин. В фазе деления ядра выявляется в виде компактных структур, называемых метафазной хромосомой. В интерфазе он распределен равномер- но по всему объему ядра и не выявляется обычными микроскопическими методами и называется интерфазной хромосомой

В процессе клеточного цикла хроматин претерпевает несколько уровней спирализации (компактизации): нуклеосомная нить, хроматиновая фибрилла, хромомеры, хромонемы, хроматиды. В ядрах клетки человека содержится диаметр, суммарная длина ДНК в них составляет почти 2 метра. Диаметр ядра - 5 -10 микрон, то есть в миллион раз меньше длины ДНК Самая маленькая хромосома человека - 22 я, состав ляет около 1, 4 см в длину и содержит 4, 6 ∙ 107 пар оснований. Для размещения молекулы ДНК на мета фазной пластинке в процессе митоза, уменьшения риска спутывания или разрыва ДНК, необходимо упаковать ее в более короткие пучки – хромосомы. К концу профазы митоза 22 я хромосома укорачивается до 2 мкм, то есть в 7000 раз. Для достижения такого уровня компактизации и одно временно сохранения эффективности основных генети - ческих процессов, требующих локальной распаковки, структура метафазной хромосомы должна пройти неско- лько уровней компактизации, что является основой складчато-петлевой модели структуры хромосомы

Уровни компактизации молекулы ДНК в процессе клеточного цикла

Нуклеосомная нить Схема расположения молекулы ДНК на белковой глобуле – коре Взаимодействие ДНК и гистонов в составе хроматина Электронная микрофотография нити хроматина с нуклеосомами из клеток ядер цыпленка

Элементарная хроматиновая фибрилла – нуклеомер Наднуклеосомная укладка ДНК Модели закрепления оснований ДНК в ядерном матриксе Петлевой уровень компактизации хроматина

Наднуклеосомная укладка ДНК Спирализация хромонем с образо- ванием розетковидных участков: Схема метафазной хромосомы : 1 - центромера с кинетохором; 2 – гетерохроматин; 3 – эухроматин; 4 - вторичная перетяжка; 5 – спутник; участок с более сильным увеличение(сверхспирализация Эухроматин (светлые участки) и гетерохроматин (темные участки) в кариотипе дрозофилы

Морфология метафазных хромосом 11 - центромера и кинетохор играет роль в движении хромосом к полюсам деления и точном распределении дочерних хроматид по дочерним клеткам в процессе митоза и мейоза. 3 - теломеры сохраняют стабильность хромосом и препятствуют слипанию хромосом. От места положения центромеры различают: 2 - вторичные перетяжки, которые отделяют участки коротких плеч, называемые спутники (4). комплекс, содержащий участок ДНК центромеры, ДНК-связывающие белки, РНК, тубулин. Служит: 1 - центром прикрепления микротрубочек веретена деления; 2 - выравнивания хромосом в метафазной пластинке на экваторе деления клетки в метафазе; 3 - участвует в процессе расхождения хромосом во время анафазы Схема хромосомы человека

Кариотип Набор хромосом диплоидной клетки называется кариотип Нормальный кариотип соматической клетки человека представлен 23 парами хромосом 22 пары хромосом идентичны у мужчин и женщин и называются аутосомами одна пара называется половыми хромо -сомами: у мужчин представлена Х и Y хромосомами, у женщин – двумя Х-хро мосомами. Во всех парах хромосом одна получена от отца, другая – от матери. В половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетках) содержится гаплоидный набор хромосом, то есть, 23 хромосомы. Сперматозоиды делятся на два типа: Х-сперматозоиды (содержат Х-хромосому) и Y-сперматозоиды (содержат Y-хромосому). Диплоидный набор хромосом обозначается 2 n 2 с, гаплоидный - 1 n 1 с. Яйцеклетки содержат только Х-хромосомы В S-периоде интерфазы набор хромосом соматической клет ки обозначается как 2 n 4 c. n – число хромосом в гаплоидном наборе, с – количество ДНК

Денверовская классификация кариотипа Согласно Денверовской классификации кариотипа каждая пара хромосом имеет свой номер; хромосомы выстроены в ряд в порядке убывания размеров и разбиты на 7 групп: А – 1 -3 хромосомы; В – 4 -5; С – 6 -12; D – 13 -15; E – 16 -18; F – 19 -20; G – 21 -22; Х-хромосома относится к С-группе, Y – к G-группе. Каждая пара хромосом идентифицируется по размеру и положению центромеры (метацентрические, субметацентрические, акроцентрические)

Схематическое изобра жение G-сегментов хро мосом человека и систе - ма их обозначения согла- сно решениям Парижской конференции

Отделы ДНК Молекула ДНК состоит из генов и спейсерных участков (спейсерами) между ними: спейсерные участки ДНК, выполняющие структурную функцию участки ДНК, с которыми связы- ваются гистоновые белки нуклео- сомной цепи в хроматине, ДНКсвязывающиеся белки и др. , участ - вующие в правильной укладке нуклеосомной цепи в высшие структуры хроматина. участки ДНК, участвующие в при- креплении хромосом к аппарату центриолей; фиксации хроматина в ядерном матриксе (MAR- и SAR- последовательности, участвующие в образовании петельной структу- ры хроматина) и др. спейсерные участки ДНК, которые служат специфи ческими локусами связывания: спейсерные участки ДНК, служащие сигналами окончания транскрипции Аттенюаторы, терминаторы Промоторы Операторы Сайленсеры Энхансеры

Геномный уровень организации наследственного материала Геном – это количество ДНК в гаплоидном наборе хромосом; полный состав ДНК, содержа - щий весь объем информации, необходимой для развития и существования организма; сово- купность всех генов и межгенных участков ядерной и внеядерной ДНК клетки. Общие принципы построения генома и его структурно-функциональную организацию изучает раздел генетики – геномика. Различают следующие разделы геномики: структурная, функциональная, сравнитель- ная, эволюционная и медицинская.

Геном вируса представлен молекулой ДНК (ДНК-вирусы) или РНК (РНК-вирусы) и состоят из одной или нескольких молекул нук -леиновых кислот. Вирусная частица, состоящая из одной или нескольких нук леиновых молекул называет- ся вирион. Он может быть представлен одно- и двуцепочными ДНК или РНК, кольцевой или линейной формы. Геном вирусов Вирион заключен в белковую оболочку – капсид, которая мо- жет содержать липиды и угле воды. Вирусный геном относительно мал; кодирует белки капсида и белки, участвующие в реплика - ции и экспрессии вирусного генома. Масса ДНК вирусов составляет 1∙ 106 - 200∙ 106; РНК - 1∙ 106 -15∙ 106 дальтона.

Структура генома некоторых вирусов

Структура генома фага φХ 174 Геномы вирусов могут содержать от 4 генов (фаг Qβ) до 250 (вирус оспы). Геномы могут быть цельными (состоять из одной молекулы нуклеиновой кислоты), либо сегментированными и состоять из нескольких молекул. Геном фага φХ 174 состоит из 9 генов и содержит 5500 нуклеотидов. В геноме фага имеются пере крывающиеся гены (гены, которые могут быть частью двух разных генов или некоторая последо вательность ДНК может быть составной частью двух разных генов) и «гены внутри генов» . Установлено, что ген В расположен внутри гена А, ген Е – вну три гена Д. Подобная картина перекрывания генов было зафиксировано для фага λ и опухолевого ви руса SV 40 и объясняла существование несоответ ствия между небольшим размером генома и коли чеством белков, которые синтезируется генами это го генома.

Геном вируса иммунодефицита человека ВИЧ-1. Вирусная частица (вирион) имеет сферическую форму, ее диаметр равен 100 нм Геном вируса составляет молекула РНК, она окружена двойным слоем липидов, пронизанных гликопротеина- ми, содержащими две субъединицы: gp 41, пронизыва- ющая мембрану и gp 120, находящаяся снаружи. Сердцевина вируса образована белками p 17 и p 24. В сердцевине вируса находится молекулы обратной тран - скриптазы, которая превращает РНК вируса в линейную молекулу двуцепочной молекулы ДНК в процессе обра- тной транскрипции в клетках Т-лимфоцитов тела хозя ина. Образовавшаяся молекула ДНК вируса ВИЧ-1 прони- кает в ядро Т-лимфоцита, на концах линейной молеку- лы ДНК находятся особые последовательности И 3, R и U 5. Эти последовательности взаимодействуют друг с другом, образуя кольцевую ДНК с одним или двумя ДКП. Затем происходит встраивание вирусной ДНК в любое место клеточной ДНК хозяина, при участии бел ка вируса интегразы. Геном вируса ВИЧ-1 содержит 9 генов, которые синтезируют 14 белковых продуктов. Ген gag кодирует внутренние белки вириона, ген pol - обра- батывают транскриптазу и интегразу, ген env – компоненты вирусной оболочки. Остальные гены кодируют вспомогательные и регуляторные белки.

Геном прокариот построен компактно и не отделен от цитоплазмы мембраной Размер генома у прокариот различается: он может варьировать от 580 тыс. н. п. до 9500 тыс. н. п. Геном бактерий почти целиком состоит из генов и последовательностей, регулирующих их активность. Геном бактерий обладает некоторыми осо - бенностями, обеспечивающими адапта - цию к определенным условиям их обита ния. Это суперспирализация ДНК, обога - щенность генома ГЦ–парами, а также наличие генов, кодирующих белки, обеспе- чивающие приспособление микро организ- мов к особым условиям обитания Молекула ДНК может быть кольцевой или линейной, а у некоторые бактерий имеются обе формы ДНК Гены прокариот не имеют интронов. Функционально связанные гены организованы в опероны Helicobacter pylori обитают в кислой среде желудка и их белки содержат вдвое больше аминокислотных остатков аргинина и лизи на, чем у других бактерий. Кроме того, имеет- ся не менее пяти систем адгезии для прикре пления этих бактерий к эпителию желудка, 14 генов системы расщепления чужеродной ДНК.

Размеры геномов прокариот Организмы АРХЕИ Archaeoglodus fuigidis Размер генома (мегабазы) Количество генов 2. 17 2493 Methanococcus jannaschii 1. 66 1813 Thermoplasma acidophilum 1. 56 1509 ЭУБАКТЕРИИ 4. 64 4397 Bacillus sudtilis 4. 21 4212 Haemophilus influenzae Aquifex aeolicus 1. 83 1. 55 1791 1552 Pikettsia prowazekii 1. 11 834 Mycoplasma pheumoniae 0. 82 710 Mycoplasma genitalium 0. 58 503 Echerichia coli

Геном бактерий практически не имеет перекрывающихся генов У бактерии около 1% генома является неко дирующей и она представлена мобильны- ми генетическими элементами, которые могут перемещаться по геному (см. геном эукариот). Мобильные (подвижные) гене – тические элементы бактерий – это IS-эле менты и транспозоны. Для бактерий характерно явление горизонтального переноса генов (перенос генов из генома одной бактерии в геном другой). Он происходит как между родственными, так и не родственными бактериями. Гены, которые появляется в результате такого перено- са называется ксенологами. Отмечен горизонтальный перенос генов от бактерий к эукариотом (около 30 генов). IS-элементы (инсерционные элементы или вставки) - это участки ДНК, способные переме- щается по геному как целое. Они содержат гены, обеспечивающие их перемещение – транспозицию При встраивании IS-элемента происходит: 1 - дупликация участков ДНК, находя- щихся на их концах; 2 - инверсия в смежных с IS-элемента- ми участках; 3 - взаимодействие между F-плазми - дой и бактериальной хромосомой. Перемещается не сам IS-элемент, а его копия, которая встраивается в новый локус

Геном бактерий Транспозоны (Тn-элементы) – это такие же, как ISэлемен- ты, участки ДНК, но содержат гены, не имеющие отноше ния к транспозиции. Например, гены устойчивости к антибиотикам, гены токсинов и др. Структура транспозона: а- простой транспозон Тn 3 с тремя генами; б - сложный транспозон Тn 10 с двумя IS-элементами на левом и правом плече. Транспозоны : v придают бактериям устойчивость к различным антибиотикам, ядам, тяжелым металлам; v приводят к инактивации гена, в который они встраиваются; v повышают частоту мутаций, v активизируют ранее молчащий ген, v переносят гены метаболизма, которые позволяют использовать необычные источники углерода, v переносят гены токсинов, делающие бактерии патогенными. Все это в совокупность обеспечивают высокую степень генетический изменчивости бактерий.

Геном бактерий Эти внехромосомные элементы являются кольцевыми двуцепочными ДНК, несущи- ми гены, которые будут необходимы в оп ределенный момент жизни клетки. Одни придают клеткам устойчивость к различным фактором среды, в частности, к действию антибиотиков. Та кие плазмиды называются факторы рези- стентности (R-факторы или Rплазмиды). Другие определяют половой процесс, пол бакте рий (F+- и F--факторы) и называются факторы фертильности (F-плазмиды или Fфакторы). F-плазмиды сообщают бактериям инфекционность, так как являются самотран- смиссивными, то есть, способными переме щаться из клетки в клетку, встраиваться там в хромосому бактерии-хозяина и становиться частью генома этой бактерии. Плазмиды – это структуры бактериальной клетки, способные реплицироваться самостоятельно от хромосом ДНК. Плазмиды, которые могут существовать и репли - цироваться как автономно, так и в составе хромо сомной ДНК называется эписомы. Встраиваясь в неё, становятся её частью и реплицируются вместе. Эписомы, перемещаясь из одной клетки в другую, могут придавать клеткам бактерий хозяев: v инфекционность или устойчивость к антибиотикам; v определяют болезнетворность бактерий; v обеспечивают почвенным бактериям способность усваивать углерод из необычных источников (нефтепродукты); v способность синтезировать бактерио - цин, гемолецин и др.

Геном эукариот Структура типичной R-плазмиды На рисунке изображена типичная плазмида. 50% генов отвечают за конъюгацию и репликацию. Вторая половина генов, контролирует устойчи вость к тетрациклину, антибиотикам (гены tetr, camr, ranr и др. ). Перемещение плазмид обеспе – чивают и Тn-элементы , которые способны перемещаться не только между плазмидами, но и по всему геному

Геном эукариот – это суммарная ДНК гаплоид- - ного набора хромосом и внехромосомных элементов в клетках организма. Количество ДНК в геноме клетки обозначается латинской буквой С, измеряется в пико - граммах (пг) и выражается в па- рах нуклеотидов (п. н. ), дальто- нах (Да) или в мегабазах (мб). 1 пг = расстоянию 0, 965∙ 109 нп = 6, 1∙ 1011 Да. 1 мб = 1 млн. оснований. Геном эукариот представлен: 1 - линейными молекулами ДНК, которые распределены по хромосомам и расположенны в ядре (ядерная ДНК); 2 - кольцевыми молекулами ДНК митохондрий и пластид (внехромосом ная ДНК). Геном эукариот

Геном эукариот характеризуется сложностью, плотностью генов, наличием интронов. Геном эукариот Сложность ДНК характеризуется общей длиной (в н. п. ) разных последовательнос- тей ДНК, определяющих ее избыточ ность. Размер генома человека составляет 3, 2∙ 109 н. п. По результатам выполнения проекта «Геном человека» (2001 г. ) 1 -2% генома составляют кодирующие экзоны, 24% - интроны и 75% - межгенные промежутки. Только 1 -2% генома несет информа - цию о структуре белков. Следовательно, большая часть генома составляет избыточную, не кодирующую последовательность ДНК. Этот феномен получил название «парадокс С» .

Уникальные последовательности представлены в ДНК в одном экземпляре; у человека они состав - ляют 75% генома. К уникальным последовательнос- тям относятся многие структурные гены. Общее число генов у эукариот по данным раз ных авторов различно. Уникальными последовательностями яв- ляются экзоны и интроны генов и некоторые меж- генные последовательности. Обращенные повторы или палиндромы – это участки ДНК, которые читаются одина- ково слева направо и наоборот. Последовательности ДНК Если последовательности ДНК присутствуют в геноме в виде нескольких копий, то их называют повторяющимися или повторами. По расположению в геноме повторы бывают: тандемные, диспергированные (то есть, разбросанные по геному), и обращенные (рис. 64). Основные классы повторов в геноме человека: Палиндромы принимают участие в образовании шпилек при транскрипции ДНК; могут является местами связывания со специфическими белками, участвующими в регуляции репликации и транскрипции. А - диспергированные, Б - тандемные, В – обра щенные (стрелками обозначены повторы, пря мыми линиями – основная часть ДНК)

Простые тандемные повторы (сателлиты) При центрифугировании ДНК в растворе хло - ристого цезия происходит разделение ДНК по плотности на основную и сателиттную Основная масса ДНК имеет плотность равную 42% содержания ГЦ-пар нуклеотидов или 1, 693. Часть ДНК, имеющая иную плотность (а, следовательно, иное содержание нуклеотидных пар) получила название дополнительной, минорной или сателлитной ДНК (сат. ДНК) (от лат. satellitis-спутник). Сателлитные ДНК состоят из коротких (чаще 1 -20 нуклеотидов) последовательностей (базовые после- довательности), идентичных или почти идентичных. Базовые последовательности расположены тан – демно (то есть, следуют друг за другом «голова к хвосту» ), образуя длинные блоки, протяженностью до десятков тысяч нуклеотидов. Например, у плодовой мушки дрозофилы имеются простые базовые после- довательности - ААТАГ-, -ААТАТ-, - ААТАЦ-, которые повторяется «п» количество раз, где п = 10, 20 и более тысяч раз. Сателлитными ДНК называются минорный комп - лекс ДНК, отделяющийся от основной ДНК при центрифугировании в растворе хлористого цезия

Сателлиты характеризуется следующими свойствами: 1. быстрая и точная реассоциация (вос становление структуры ДНК после дена- турации ДНК) в процессе ренатурации ДНК; 2. тандемное расположение базовых последовательностей, объединенных в блоки 3. количество копии в геноме свыше 10 «степеней» ; 4. простая первичная структура; 5. гомогенность (идентичность) базовых последовательностей; 6. локализация в прицентромерном гетерохроматине и теломерах ; 7. ограниченная репликация; Типичная саттелитная ДНК У человека выделяют следующие виды сателлитных повторов: 1. классические сателлиты - короткие прямые повторы. Выделяют три вида классических сателлитов: сателлит 1: базовая последовательность состоит из 42 н. п. и обнаружена в 3 -4, 13 -15, 21 хромосомах; сателлит 2: базовая последовательность равна 5 н. п. и обнаружен в хромосомах 1, 2, 10, 16; сателлит 3: базовая последовательность равна 5 или 10 н. п. и находится в 1, 5, 9 -10, 13 -15, 17, 21 -22 хромосомах; 2. альфа-сателлитные повторы: базовая последовательность равна 171 н. п. ; обнаружена во всех хромосомах человека; имеют блоки длиной до 4 млн. пар нуклеотидов и расположены в прицентромерной, центромерной области; 3. бета-сателлитные повторы: базовая последовательность 68 н. п. ; находятся в 1, 3, 9, 13 -15, 2122 и У хромосомах; 4. гамма-сателлитные повторы: базовая последовательность имеет длину в 220 н. п. и находятся в хромосомах 8 и Х; 5. сателлитные повторы с базовая последовательностью в 48 н. п. в хромосомах 13 -15, 21 -22 и У; 6. Sn 5 -сателлитные повторы хромосом 2, 13 -15, 02022 с неустанов- ленной базовой последовательностью.

Мини-сателлиты – это повторы со средней длиной повторяющегося элемента (базовой последовательности) от 6 до 100 н. п. , обога - щенным АТ- и ГЦ-парами, длиной кластера 0, 2 -20 тыс. н. п. Число их копий варьирует от несколький сотен до тысяч на геном. Минисателлитами являются также повторы, тан демно расположенные в теломерной об - ласти. Основной элемент этих повторов у человека – высококонсервативные после – довательности ГГТАТТ. Эти последователь ности и играют роль в сохранении целост – ности хромосом. Мегасателлиты – повторы с повторяющейся базовой последовательностью в 2, 5 -5 тыс. н. п. и числом копий от 50 до 400 присутст - вуют лишь в 4, 8, 19 и Х хромосомах. Нетипичные сателлиты ДНК Микросателлиты относятся к повторам с длиной повторяющегося элемента 1 -4 нуклеотида, тандемно и равномерно, расположенные по всему геному. Наиболее известный микросателлит человека - динуклеотид (АЦ)п, где n (число повторов) равен 5 -50. Кластер этого микросателлита расположен через каждые 30 тыс. н. п. Кроме динуклеотида АЦ известны микросателлиты с повторяющимися три- и тетрануклеотидными мотивами АТ, ГЦ, ААЦ, ЦТГ, ГАЦА. Если микросателлит состоит только из одного повторяющего нуклеотида (АААААА…. . А - на одной нити ДНК и ТТТТТТ…. . Т - на другой), то он называ – ется гомополимерной нуклеотидной последова тельностью. Блоки микросателлитов равны 20 -60 тыс. н. п. Микро- и минисателлиты очень изменчивы, то есть поли- морфны. Изменяются как число нуклеотидов в базовой пос- ледовательности, так количество копий. Их распределение и число в геноме каждого конкретного человека настолько индивидуально, что лежит в основе метода судебно –меди цинской экспертизы, служащего для идентификации лич ности и называемого ДНК-фингерпринтингом или мето дом «отпечатков пальцев» .

Диспергированные повторы – это повто ры, которые рассеяны (диспергированы) по всему геному. Они встречаются во всех областях хромосом; обнаруживают ся внутри генов в интронах, по краям генов, в межгенных участках, вне генной ДНК и составляют половину генома человека. Эти типы повторов объединены в группу мобильных (подвижных) элементов геномов, Они способны определять структуру ге нома и перемещаться в нем как внутри одной хромосомы, так и между хромо- сомами. Процесс перемещения назы вается транспозиция Диспергированные повторы Различают следующие типы таких повторов: 1. длинные диспергированные повторы или Line-повторы. Их длина составляет 6, 4 тыс н. п. , число копий 8, 5 х 105 раз (21% всего генома). 2. короткие диспергированные повторы или Sine –повторы, с длиной менее 500 н. п. и числом копий 1, 5 х 106 (13% генома); 3. повторы протяженность 5 -8 тыс. н. п. , ограниченные с флангов дополнительными повторами, которые называются LТR (long terminal repeats) или ДКП (длинные концевые повторы). 4. ДНК- транспозоны – повторы длиной от 80 -3000 нп. числом копий 3 х 105 (3% генома). Перемещение осуществляется двумя путями: 1 - путем вырезания элемента из одного места и встраивания его в другое при участии фермента транспозазы и вспомогательных белков; 2 - путем образования копии элемента, которая внедряется в новое место, а родительская копия остается на месте. Подвижные генетические элементы образую- щиеся первым путем называется транспозоны, а вто рым путем – ретротранспозоны.

Подвижные генетические элементы, встраиваясь в гены или в соседние с ними области: 1 - изменяют активность этих генов; 2 - вызывают мутации; 3 - могут принимать участие в перестройке хромосом, приводящей в результате к рекомбинации, инвер сии, транслокации, делеции и т. д. ; 4 - могут обусловливать поли морфизмы внутри вида; 5 - обеспечивают горизонтальны перенос генов; 6 - способствуют сохранению структурной целостности хромосом. Подвижные генетические элементы

Транспозоны - это подвижные генетические элементы, ограниченные по флангам инвер тированными (направленными друг к другу) повторами и перемещающиеся по геному при участи фермента транслоказы, который коди- уется самим транспозоном. Более 50 генов человека произошли из транспо зонов(имму- ноглобуллины). Транспозоны входят во все типы диспергированных повторов. Структура транспозона: а- простой транспозон Тn 3 с тремя генами; б - сложный транспозон Тn 10 с двумя IS-элементами на левом и правом плече. ДНК-транспозоны способны кодировать фермент транспозазу, который обеспечи вает их передвижение по геному. Наиболее изученные ДНК-транспозоны – это Р-элемент, Ас-элемент, Ту-элемент. Транспозоны могут выполнять: 1 - роль регуляторов генов, являясь энхансерами или сайленсерами; 2 - функцию терминаторов транскрип- ции; 3 - участвуют в процессе репликации ДНК, упаковке хромосом, фиксации хро - мосом к ядерному матриксу.

Ретротранспозоны – это подвижные генетические элементы, которые перемещаются по геному, используя механизм обратной транскрипции. Ретротранспозоны Структура ретротранспозона

Ретротранспозоны LINЕ-повторы также относятся к ретротран- спозонам, не имеющим LТR-последователь ности. У человека имеется только одно семейство этих повторов – L 1 -повторы. Они кодируют два белка-фермента, которые и обеспечивают их перемещение в геноме по механизму обратной транскрипции, характерному для ретротранспозонов. В процессе обратной транскрипции L 1 -копий могут возникать псевдогены (нефункциональные гены с прямым повторами по краям длиной 10 -20 н. п. , гомологичные известным структурным геном) и безинтронные нормально функциониорующие гены. LTR – последовательности (300 -400 н. п. ) принимают участие в процессе «тасова ния экзонов» , то есть, способны переме- щать экзоны из одних генов в другие, обеспечивая образование новых генов. SINE-повторы или короткие повторы имеют по краям короткие прямые повторы и поли-(А)-после- довательность на 3′-конце. Самый известный из изу ченных SINE-повторов у человека – это семейство Аlu- повторов. Повторы этого семейства имеют длину 200 -300 н. п. , находятся как внутри гена, так между ними. Количество копий равно 1 млн и составляют 5% от всей ДНК. Они обнаруживается в геноме повсеместно: в интронах, в сателлитной ДНК, между генами. Копируя самих себя Аlu-повторы перемещаются по геному, внедряясь в экзон или интрон и: Ø меняют регуляцию экспрессии этого гена. , Ø способны модулировать репликацию ДНК, сплайсинг и некоторые другие процессы. Ø участвуют в клеточном ответе на стрессовые воздействия, подавляя трансляцию РНК.

ДНК-повторы генома человека

Умеренно повторяющиеся последовательности - эти последовательности, встречаются в геноме в десятках или сотнях копий и составляют 15% генома человека. 1 - семейства генов, расположенных тан - демно : гены гистонов, т. РНК и р. РНК. Они обеспечивают осуществление жизненно важных общеклеточных функций и называются гены «домашнего хозяйства» ; 2 - гены, кодирующие гомологичные белки со сходными функциями, которые могут быть рас сеяны по геному или образовывать кластеры. Это гены актина, тубулина, глобина, иммуногло - булина, гены теплового шока и др. Они выпол- няют в клетке как общеклеточные, так и специ -ализированные функции. 3 - различные подвижные (мобильные) генетические элементы. Они составляют от 10 -20% генома и разбро- саны (диспергированы) по всему геному; По частоте встречаемости в геноме все пов - торы делятся на высокоповторяющиеся или высокочастотные и умеренноповторяю щиеся или среднечастотные К высокоповторяющимся последовательности относится сателлит - ная ДНК; частота встречаемости таких повторов равна 105 копий и выше. И они функционально и стру- ктурно обособлены от всего генома. 4 - тандемные повторы или диспергиро ванные последовательности с неизвест ными функциями. Один из примеров таких последовательностей - ДНК-последовате- льность VNTR. Эти последовательности со держат повторяющейся элемент из 14 -100 нуклеотидов, который может содержат от 2 до 100 повторов. Они могут находится вну- три гена или между ними.

Структурные классы ДНК человека

Генома человека был исследован международной про - граммой «Геном человека» (Human Genome Project), ко- торая начала работу в 1990 году; первый отчет по прое -кту «Геном человека» был сделан в 2000 году, окончате- льный - в 2003 году. 25% ДНК – это повторяющиеся последовательности которые встречаются в геноме в различной частоте копий Гены, кодирующие белки у человека – это последовательности нуклеотидов ДНК, составляющие менее 2% генома 20%-последовательности кодирующие РНК, 13%-интроны и межгенные участки. Более 50% составляют не кодирую- щие последовательности. Геном человека Общее количество ДНК в 46 хромосо мах в соматической клетке челове – ка имеет длину 2 м и 6, 4∙ 109 пар оснований; в гаплоидной – 3, 2∙ 109 пар оснований Основное количество ДНК локализовано в хромосомах (99, 5%), то есть, составляет ядерную ДНК. Внехромосомная часть генома человека – это ДНК митохондрий (0, 5%) и отдельных кольцевых ДНК в ядре и цитоплазме Повторяющиеся последовательности включают: 1) 4 класса элементов ДНК, возникших из транс позонов: последовательности SINЕ, LТR-транспо- зоны (ретровирусподобные) и ДНК-транспозоны; 2) повторы, состоящие из 2 -3 нуклеотидов; 3) дупликации больших сегментов ДНК из разных частей генома. Основная их часть возникла из обратнотранск рибируемой ДНК, и представляют собой паразитические самопроизводящиеся элементы ДНК, имеющие свои промоторы. Повторы могут быть местом, где создаются гены с новыми функциями и происходит перестройка ге нов. У человека все паразитические повторы ДНК кажут- ся старыми; нет доказательств их эволюции.

Ø количество белок-кодирующих генов по данным Междунарародного кон - циумома - 31780 и Celera Genomix - 39114 генов; Ø различное число экзонов и интронов (от 0 у гистонов до 234 у белка титана). Плотность генов в геноме человека ниже, чем у других видов: на 106 н. п. у дрожжей приходится 483 гена, у дрозофилы – 117, у человека – 7 генов, в 16 хромосоме – 16, в среднем на геном – 12 генов. Для генов человека характерна боль- шая протяженность интронов, 35% ге нов считываются с разных рамок, 45% РНК подвержены альтернативному сплайсингу. Для генома человека установлен Сотни генов вероятно получены человеком в результате горизонтальный передачи от бактерий. 6500 генов установлены экспериментально (по функции продукта, наличию мутаций, тканеспецифичности и т. д. ). Хромосомная локализация выявлена для около 20 тыс. генов (из них 740 генов РНК). У человека гены отличаются большей сложностью: большим числом доменов и комбинациями доменов. Типичный ген человека включает примерно 28 тыс. п. н. , имеет 8 экзонов и кодирует 447 аминокислот. Самый большой ген – ген мышечного белка дистро фина (2, 4 х106 п. н. ). Для белка титина установлена после довательность из 27 тыс н. п. и 234 экзонов. Это самое большое количество экзонов в геноме человека. Гены распределены по 24 хромосом. Расположение генов на хромосоме чередуется: участки с плотной локализацией (богатые генами) разделены участками бедными генами ( «генные пустыни» ). Наибольшую плотность имеет хромосома 19, наименьшую 13 и Ухромосома. Различается плотность и в разных частях хромосомы: в 21 хромосоме в длинном плече плотнос ть в проксимальном отделе составляет 1 ген на 304 т. п. н, а в дистальном – 1 на 64 т. н. п. ; в других участках длинного плеча генов практически нет Идентифицированы гены практически всех наиболее часто встречаемых (320) и сравни- тельно редких (около 170) наследственных заболеваний, 130 онкогенов. Общее количес- тво генов обеспечивающих развитие наследственных болезней составляет 1400.

Предварительный список предполагаемых функций 26588 генов (60%) генома человека

Сведениями о геноме человека наряду с сиквенсом являются генетические и физические карты хромосом. Генетические карты – это схемы, отражающие порядок расположения всех генов человека, особенно генов нас -ледственных болезней, других генетических элементов. Генетическое расстояние между генами измеряется в сантиморганидах (с. М); одна с. М – это такое минималь ное расстояние между генами, при котором кроссинго- вер возможен у 1% гамет и соответствует частоте реком бинаций между двумя локусами равной 1%. Длина генома человека равна примерно 3000 -3500 с. М. Физические карты – это схемы хромосом, отражающие физическое расстояние между генами выражаемое в па рах нуклеотидов. На хромосомах после дифференциаль- ного окрашивания выявляются поперечные диски (бэн ды). Размер небольшого диска равен приблизительно 1 млн н. п. на физических картах. Карты генов наследственных болезней, их расположение в геноме (гены, мутации которых приведут к возникновению болезни) называется патологической анатомией генома человека. бэнды