Геном эукариот регуляция и эволюция Специализация клеток объясняется

Геном эукариот: регуляция и эволюция. Специализация клеток объясняется дифференциальной экспрессией генов. Дифференцированные клетки разных типов • наряду с общеклеточными, • синтезирует свои специфические белки. • в них активны в среднем 5 -10% генов. Транскрибируемые гены включают: • гены «домашнего хозяйства» • гены «роскоши» терминальной дифференцировки, С позиции регуляции экспрессии гены разделяются на: • конститутивные и • регулируемые (индуцибельные).

• • • РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ГЕНОВ на уровне хроматина на стадии транскрипции, на стадии процессинга РНК, на стадии трансляции и пост-трансляционных изменений полипептидов. 1. Модификации хроматина, осуществляют первоначальный контроль активности генов, посредством • повышения или понижения способности участков ДНК связываться с общими факторами транскрипции. Генный баланс - (количество экспрессируемых генов) необходимое для нормального развития. Компенсации дозы гена – • инактивация одной из Х-хромосом (тельце Барра) в эмбриональном развитии. • гетерохоматизированная Х-хромосома остается инактивированной у всех клеток – потомков исходной клетки.

Гистоны нуклеосом конкурируют с факторами транскрипции за участки свободной от белков ДНК. 1. Химические модификации гистонов и ДНК хроматина могут влиять и на структуру хроматина и экспрессию генов.

Ацетилирование - присоединение -СОСН 3 к лизинам хвоста гистона Н 4 ведет к снижению его положительного заряда (удаляются NH 3+ группы) и как следствие, - к временному отсоединению от гистонов Н 2 А и Н 2 В.

Метилирование – присоединение СН 3 групп к цитозину с образованием 5 -метилцитозина) в ГЦ последовательностях приводит к конденсации хроматина и репрессии транскрипции. • ДНК-метилазы, действующие на ДНК, до этого не метилированную. • другой класс метилаз действуют на ДНК, образовавшуюся после репликации, одна цепь которой метилирована, а другая нет. Процессы деацетилирования гистонов и метилирования ДНК являются двойным механизмом подавляющим транскрипцию.

Эпигенетическое наследование. Наследование признаков, обусловленное механизмами, не затрагивающими последовательности нуклеотидов ДНК. • Метилирование ДНК • Изменение степени компактизации хроматина ДНК-метилазы метилируют дочернюю цепь после каждого цикла репликации ДНК Клетки могут формировать специализированные ткани, сохраняя на молекулярном уровне «запись» (химические модификации), которая произошла в течение эмбриогенеза.

Геномный импритинг - экспрессия аллеля в зиготе только отца или матери. Последовательность нуклеотидов в ДНК остается постоянной, тем не менее, происходит выбор генов, которые будут активны в онтогенезе.

Структура гена эукариот

2. Инициация транскрипции - наиболее важный и универсальный этап регуляции экспрессии генов. • Общие белковые факторы транскрипции и РНКполимераза связываются с промотором. • Для достаточного уровня интенсивности синтеза РНК необходимо присоединение специфических факторов транскрипции • С энхансерами (усилителями) связываются белки активаторы, интенсифицирующие процесс транскрипции.

Определенные промоторы находятся под контролем определенных энхансеров. Соседние гены отграничены инсуляторами (изоляторы, разделители) • Репрессоры эукариотических клеток могут подавлять экспрессию генов несколькими путями: • Некоторые репрессоры блокируют связывание активаторов с ДНК • Другие влияют на белковые факторы и кофакторы аппарата транскрипции. • Репрессоры так же могут связываться с последовательностями ДНК (сайленсеры ), оказывая на транскрипцию ослабляющий эффект.

Специфическая комбинация регуляторных последовательностей гена будет способна активизировать или ингибировать транскрипцию только тогда, когда • соответствующие белки будут присутствовать в активной форме • в специфическом типе клеток • в определенное время индивидуального развития организма.

Многие сигнальные молекулы (гормоны, факторы роста) соединяются с рецепторами • и эти комплексы либо непосредственно связываются с регуляторными последовательностями соответствующих генов, • либо активируют определенные репрессоры или активаторы транскрипции, тем самым влияя на активность генов. Считается, что системы регулируемых генов возникли на ранних этапах эволюции путем дупликаций и распределения регуляторных последовательностей в геномах эукариотических клеток.

3. Механизмы пост-транскрипционной регуляции. • Альтернативный сплайсинг – образование разных м. РНК из одного первичного РНК траскрипта В результате организм может продуцировать более чем один белок на основе информации закодированной в одном гене.

4. Скорость разрушения (деградации) м. РНК). • У эукариот короткоживущими обычно бывают м. РНК регуляторных белков. • РНК тканеспецифичных белков обычно более стабильны.

5. Регуляция экспресии генов на уровне трансляции происходит наиболее часто на стадии ее инициации. • Присоединение к рибосоме и. РНК может быть блокировано регуляторными протеинами. • Трансляция может активироваться и блокироваться для многих молекул РНК одновременно.

5. Посттрансляционная регуляция. • Модификация полипептидов может состоять в 1. Отщеплении или 2. Присоединении некоторых компонентов 3. Объединении ряда полипептидов • Скорость распада белковых молекул косвенно регулирует экспрессию генов. Короткоживущими являются регуляторные белки. Структурные белки имеют гораздо большую продолжительность жизни. С молекулами короткоживущих белков связываются убиквитин. Помеченные белки затем разрушаются в протеосомах. Белки с большей продолжительностью жизни разрушаются в лизосомах.

Геном человека Геном – ДНК в гаплоидном наборе хромосом (3 х 10 х 9 п. н. или 3000 Мб и содержит около 25 - 30 000 генов. Геномы эукариот кроме кодирующих содержат и некодирующие последовательности ДНК. Геном человека содержит в 500 – 1500 раз больше пар нуклеотидов чем геном прокариот. В тоже время число генов увеличилось только в 5 – 15 раз на соответствующую длину ДНК. Большая часть геномов эукариот содержит некодирующие последовательности (избыточная ДНК) выполняющие важные функции и сохраняющиеся в течение многих поколений. У эукариот существуют не только • генные, а так же • экстрагеннные нуклеотидных последовательностей ДНК.

Экстрагенная ДНК включает: 1. 15% уникальная некодирующая ДНК (фрагменты генов, мутировавшие нефункционирующие гены - псевдогены), 2. 59%. повторяющаяся ДНК содержит: • 44% ДНК-повторов содержат ДНК-транспозоны и связанные с ними последовательности. • 15% повторы не связанные с транспозонами. Эти последовательности возникают в результате • ошибок репликации и рекомбинаци – длинные сегменты по 10 000 -300 000 п. н. и менее 15 -500 п. н. простые • последовательности тандемно повторяющиеся играют часто структурную роль формируя теломеры и центромеры хромосом – сателлитная ДНК).

Генная ДНК (25, 5%). Мультигеннные семейства. • 1, 5% генома человека составляют экзоны. • 24% интроны и другие регуляторные последовательности. 1. 50%. – единичные гены представлены одной копией на гаплоидный набор хромосом (геном). 2. Вторую половину генома составляют мультигенные семейства – группы идентичных и очень сходных генов. • Некоторые мультигенные семейства состоят из идентичных генов – гистоновые гены, гены р. РНК. • Другие – включают неидентичные гены – два семейства генов кодирующих глобины. Данные геномных проектов используют для анализа генов, мутации которых приводят к болезням человека.

Дупликации, перестройки и мутации ДНК способствуют эволюции геномзноа. 1. Ранние формы жизни имели минимальное количество генов, необходимых для выживания и размножения. 2. В процессе эволюции иза счет мутаций возрастал объем геномов, что являлось необходимой предпосылкой увеличения разнообразия генов. 3. Разнообразие генов привело к эволюции белков тесно связанных с новыми функциями организмов. Нарушения нормального протекания мейоза могут приводить: • к одному или нескольким дополнительным хромосомным наборам, которые могут отклоняться от исходного за счет накопления новых мутаций. • неравный кроссинговер в течении мейоза так же могут привести к дупликациям индивидуальных генов. • ошибки репликации в результате смешения матричной цепи ДНК могут приводить к нескольким копиям генов.

Эволюция генов со сходными функциями. Глобиновые гены человека ведут свое происхождение от α-глобин и β-глобин предковых генов существовавших 450 -500 миллионов лет тому назад. Позже каждый из этих генов многократно дуплицировался и их копии в следствии мутаций отличаются по нуклеотидным последовательностям, формируют мультигенные семейства в 11 и 16 хромосомах. Сходные аминокислотные последовательности α-глобинов и β-глобинов подтверждают эту модель дупликаций и мутаций генов.

Эволюция приводит к появлению генов с новыми функциями. У млекопитающих имеются ген кодирующий лизоцим и ген кодирующий α-лактоальбумин. У птиц найден только ген лизоцима. Видимо после дивергенции птиц и млекопитающих от единого предка ген лизоцима дуплицировался и одна из копий в результате мутаций стала кодировать αлактоальбумин с совершенно иной функцией.

Перестановки частей генов также распространены в эволюции. 1. Неравный кроссинговер в течении мейоза так же может привести: • к дупликациям экзонов внутри гена, • к изменению позиции экзонов в геноме (возможны случайные комбинации экзонов внутри гена, либо комбинации между неаллельными генами – «перетасовка экзонов» ). Новые комбинации экзонов в гене могут привести к белкам с новыми комбинациями функций.

Как мобильные элементы могут способствовать эволюции генома. Перемещение мобильных элементов в геноме может иметь несколько последствий: • перемещение в середину кодирующей части может нарушить нормальную функцию гена, • встройка в регуляторные последовательности может привести к увеличению или уменьшению синтеза генных продуктов, • во время транспозиции мобильные элементы могут переносить ген или группу генов в новую позицию в геноме, • и наконец мобильные элементы встраиваясь в кодирующую часть гена могут переносить дополнительные экзоны.