ГЕНОМ ПРО- И ЭУКАРИОТ Новосибирск 2008 Лекция №5

ГЕНОМ ПРО- И ЭУКАРИОТ Новосибирск 2008 Лекция №5 - Геном

Геном про- и эукариот Геном - суммарная ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащаяся в отдельной клетке прокариотического и одноклеточного эукариотического организма или в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного эукариотического организма.

Геном про- и эукариот прокариоты эукариоты Геном = ДНК нуклеоида + плазмидная ДНК (+ ДНК умеренных вирусов) Геном = ядерная ДНК + митохондриальная ДНК + ДНК хлоропластов + ДНК других пластид

Геном Общие характеристики геномов прокариот и эукариот Кодирующие последовательности Регуляторные последовательности Повторенные последовательности И др.

нуклеоид ДНК Геном прокариот

Геном прокариот Геном прокариот – кольцевая молекула ДНК.

Геном прокариот – E. coli Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая свернута во вторичную спираль. Длина бактериальной хромосомы E. coli составляет примерно 4,7 млн.п.н., или ~ 1,6 мм. Вторичная структура хромосомы поддерживается с помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме (складке плазмалеммы) является точкой начала репликации ДНК (эта точка носит название OriC).

Геном прокариот – E. coli Одна бактериальная хромосома содержит до 1000 генов. Обычно это гены «домашнего хозяйства», то есть необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки.

Геном прокариот – E. coli Все множество известных генов E. coli делится на 10 групп, контролирующих следующие процессы (в скобках указано количество изученных генов): 1. Транспорт различных соединений и ионов в клетку (92). 2. Реакции, поставляющие энергию, включая катаболизм различных природных соединений (138). 3. Реакции синтеза аминокислот, нуклеотидов, витаминов, компонентов цепей переноса электронов, жирных кислот, фосфолипидов и некоторых других соединений (221). 4. Генерация АТФ при переносе электронов (15). 5. Катаболизм макромолекул (22). 6. Аппарат белкового синтеза (164). 7. Синтез нуклеиновых кислот, включая гены, контролирующие рекомбинацию и репарацию (49). 8. Синтез клеточной оболочки (42). 9. Хемотаксис и подвижность (39). 10. Прочие гены, в том числе с неизвестной функцией (110).

Геном прокариот Геномы прокариот очень компактны – содержат небольшую фракцию повторенных последовательностей; гены не имеют экзон-интронную структуру; регуляторный аппарат занимает лишь небольшую часть генома; гомологи представлены очень скудно.

Геном прокариот Зависимость количества генов от размера генома и % содержание некодирцющих последовательностей.

Геном прокариот Для прокариот характерно наличие прямой зависимости между размером генома и количеством генов, а также между размером генома и количеством паралогов (гомологов).

Геном – внехромосомная ДНК прокариот Плазмиды — дополнительные факторы наследственности, расположенные в клетках вне хромосом и представляющие собой кольцевые (замкнутые) или линейные молекулы ДНК. Плазмиды способны удваиваться (реплицироваться) автономно, но при этом они эксплуатируют репликационную систему клетки хозяина. Большинство плазмид имеет специальные белки - инициаторы репликации. Эти белки начинают процесс репликации, который затем подхватывается и продолжается репликационной системой клетки. Присутствие плазмид в клетках может быть объяснено преимуществами, которые дают плазмидные гены клетке-хозяину (возможность расти в присутствии антибиотика, использование более широкого круга субстратов, защита от бактериофагов, устранение конкурентов путем синтеза бактериоцинов) или же теорией эгоистичной ДНК, как в случае криптических плазмид (т. е. плазмида поддерживается благодаря своей приспособленности к условиям внутри клетки). Ti плазмида Agrobacterium tumefaciens – одна из самых «сложных» плазмид: плазмида содержит 196 генов. Плазмиды под электронным сканирующим микроскопом

Геном – внехромосомная ДНК прокариот Самой «известной» плазмидой является F-фактор или F-плазмида. F-плазмида - это конъюгативная эписома клеток E. coli K-12 со строгим контролем репликации. Попадая в клетки, эта плазмида изменяет их фенотипические свойства. Клетки приобретают половые пили и становятся донорами ДНК. При конъюгации таких клеток блокируется проникновение в них донорной ДНК (проявляется свойство поверхностного исключения).

Геном – внехромосомная ДНК прокариот За конъюгативные свойства F-плазмиды отвечает tra-область, в которую входит 24 гена, сгруппированных в три оперона. За автономную репликацию F-плазмиды отвечают rep-гены. За распределение молекул плазмидной ДНК по дочерним клеткам отвечают гены области par. Рядом с областью par находится ген pif, продукт которого исключает развитие в клетке фагов ТЗ и Т7. Структурными компонентами, обеспечивающими интеграцию F-плазмиды в бактериальную хромосому, являются элементы IS2, IS3 и Tn1000, входящие в состав плазмидной ДНК. Они взаимодействуют с аналогичными элементами бактериальной ДНК через сайтспецифическую рекомбинацию и встраиваются в нее в разных местах и направлениях в зависимости от локализации и направления бактериальных элементов. Клетка после интеграции в ее ДНК F-плазмиды приобретает свойства Hfr-клетки, т.е. способна с высокой частотой ориентированно передавать свои гены в реципиенты.

Геном эукариот Геном эукариот – хромосомная линейная ядерная ДНК + внехромосомная ДНК

Геном эукариот – ядерный геном В норме у человека присутствует 24 хромосомы (22+X+Y): 22 аутосомные хромосомы, X-хромосома и Y-хромосома - половые. Геном человека содержит приблизительно 3 миллиарда п.н., по разным оценкам: 20000–25000 генов. В ходе исследований выяснилось, что человеческий геном содержит значительно меньшее число генов, нежели ожидалось в начале проекта. Только для 1.5% всего материала удалось выяснить функцию. В эти 1,5% входят гены, кодирующие белки, РНК гены (возможно псевдогены), регуляторные последовательности и интроны.

Геном эукариот – ядерный геном По размеру геномы эукариот могут значительно варьировать. Размеры некоторых эукариотических геномов сопоставимы с размерами геномаов бактерий. Например, геномы микроспоридий не превышают 3 млн.п.н.

Геном эукариот – ядерный геном В состав геномов эукариот помимо кодирующих последовательностей входят также значительная фракция регуляторных последовательностей, повторенных последовательностей и последовательностей, которые, как считают, отвечают за структурную целостность хромосом.

Геном – внехромосомная ДНК эукариот Согласно эндосимбиотической теории, митохондрии представляют собой аэробную бактерию-эндосимбионт, а пластиды - фотосинтезирующие бактерии, которые в ходе эволюции потеряли свою независимость от клетки хозяина. Митохондрии и пластиды: - имеют две полностью замкнутых мембраны. При этом внешняя идентична мембранам вакуолей, внутренняя - бактерий. - размножаются бинарным делением (причем делятся иногда независимо от деления клетки), никогда не синтезируются de novo. - генетический материал - кольцевая ДНК, не связанная с гистонами (По доле ГЦ ДНК митохондрий и пластид ближе к ДНК бактерий, чем к ядерной ДНК эукариот) - имеют свой аппарат синтеза белка - рибосомы и др. - рибосомы прокариотического типа - c константой седиментации 70S. По строению 16s рРНК близки к бактериям.

Геном – внехромосомная ДНК эукариот Однако ДНК митохондрий и пластид в отличие от ДНК большинства прокариот содержат интроны.

Геном – внехромосомная ДНК эукариот Редукция хлоропластного генома. Ни митохондрии, ни пластиды не могут существовать вне клетки, поскольку лишены многих необходимых для этого генов. Это может быть объяснено длительностью симбиоза: многие ненужные в его условиях гены были удалены, другие перешли в ядерную ДНК, что было необходимо для регуляции деятельности эндосимбионтов.

Геном – еще внехромосомная ДНК… Внутриклеточные паразиты эукариот также являются носителями внехромосомной генетической информации. Wolbachia – бактерия-паразит, поражающая репродуктивные органы насекомых. Этот паразит вызывает феминизацию потомства (все потомство - самки) и может инициировать партеногенез. Передается вертикально – от предка к потомкам. Microsporidia – обширный класс внутриклеточных эукариотических паразитов. Микроспоридии настолько «вжились» в роль, что потеряли митохондрии. И многие другие…

Перенос информации Перенос генетической информации из генома в геном называется латеральным или горизонтальным переносом. Среди прокариот латеральный перенос – широко распространенное явление. По сути, половой процесс (перенос F фактора) является латеральным переносом. Другие примеры: - перенос части геномов бактериофагов - перенос плазмид перенос мобильных элементов У эукариот латеральный перенос является скорее исключением, чем правилом. Показан перенос частей генома Wolbachia в ядерный геном. В геномах эукариот обнаруживаются остатки некоторых вирусов.

Кодирующие последовательности Структура и функционирование прокариотического оперона. Структура и функционирование эукариотического гена.

Кодирующие последовательности Соотношение кодирующих последовательностей и размеров геномов различных организмов

Регуляторные последовательности У бактерий регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне включения-выключения, у эукариот – на уровне усиления-ослабления экспрессии. В геноме эукариот на долю регуляторных последовательностей значительно бОльшая фракция, чем у прокариот. Помимо цис регуляторных последовательностей – промоторов, у эукариот существуют также транс регуляторные последовательности – энхансеры и сайленсеры.

Регуляторные последовательности Многие регуляторные участки эукариот содержат множество сайтов связывания факторов транскрипции и имеют очень сложную организацию. Организация регуляторных участков: промотор с CG боксом и промотор с TATA боксом. Сложная организация регуляторных участков: энхансеры и сайленсеры.

Регуляторные последовательности Некоторые регуляторные участки эукариот весьма консервативны. Вариабельность одного из энхасеров, регулирующих экспрессию генов развития позвоночных.

Повторенные последовательности Значительную фракцию эукариотических геномов занимают повторенные последовательности. Микросателлиты Мобильные элементы Псевдогены Микросателлиты – многократно повторенные короткие последовательности Мобильные элементы – последовательности, способные менять свою локализацию в геноме Псевдогены – последовательности, сходные с обычными структурными генами, но, как правило, не экспрессирующиеся с образованием функционально активных полипептидов.

Повторенные последовательности Микросателлиты – многократно повторенные короткие последовательности Количество микросателлитов различной длины варьирует для разных организмов.

Повторенные последовательности Распределение микросателлитов (красный цвет), предсказанных генов (зеленый цвет) и повторенных последовательностей (мобильных элементов и песевдогенов – черный цвет).

Повторенные последовательности В геноме человека представлены non-LTR ретротранспозоны, LTR ретротранспозоны, эндогенные ретровирусы, ДНК транспозоны. В общей сложности около 45% генома.

Повторенные последовательности Мобильные элементы в геноме человека и мыши

Повторенные последовательности Мобильные элементы могут играть существенную роль в организации и эволюции генома

Повторенные последовательности Один из основных механизмов образования псевдогенов – интеграция в геном копий ДНК, комплементарных зрелой молекуле мРНК, возникающих в результате ее обратной транскрипции, т.е. образование процессированных псевдогенов. Также псевдогены могут образовываться вследствие дупликаций генов с последующей инактивацией копий мутациями.