Гены и регуляция их действия Регуляция действия

Гены и регуляция их действия

Регуляция действия генов осуществляется у прокариот – на уровне - регуляции транскрипции - оперонных систем у эукариот – на уровне - экспрессии генов - перестройки геномов

Регуляция транскрипции

• Транскрипция - это синтез всех видов РНК по матрице ДНК, осуществляемый ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой • Различают несколько видов РНК-полимераз • Субстратами для всех РНК-полимераз служат рибонуклеозидтрифосфаты (активированные нуклеотиды). • Процесс транскрипции осуществляется за счет энергии макроэргических связей активированных нуклеотидов

Принципы транскрипции Комплементарность Антипараллельность РНК синтезируется относительно транскрибируемой цепи ДНК комплементарно и антипараллельно Однополярность РНК синтезируется только в направлении 5'→ 3' Синтез не требует затравки РНК синтезируется без поли- или олигонуклеотидной затравки Асимметричность в РНК первый нуклеотид в всегда является пурином в форме трифосфата

РНК - полимеразы Прокариоты Эукариоты Ядерные Синтез всех видов РНК осуществляет одна РНКполимераза Митохондриальные Хлоропластные

РНК-полимераза Е. coli • РНК-полимераза Е. coli - белок с четвертичной структурой • Строение молекул фермента - (2α)ββ'σ : • α-субъединицы - каркас РНК-полимеразы, к ним крепятся остальные субъединицы • β'- субъединица отвечает за прочное связывание с ДНК за счет кластера положительно заряженных аминокислот • β- субъединица обладает двумя каталитическими центрами инициации и элонгации один центр работает в holoдругой - в core- ферменте • σ(сигма) - фактор - сменный фактор специфичности Одновременно в клетке присутствует около 7000 молекул РНК-полимеразы

Функции субъединиц РНК-полимеразы ( 2α)ββ'σ - holo-фермент (полный фермент) • holo-фермент обладает высоким сродством к специфической последовательности нуклеотидов - промотору, сродство к остальным случайным последовательностям ДНК у него снижено в 10000 раз • функции » узнавание и связывание, а также инициация » как только произошла инициация транскрипции, σ -фактор отделяется (2α)ββ‘ без σ-фактора core-фермент • у core-фермента одинаковое сродство к любой последовательности нуклеотидов • Функции » элонгация - продолжение синтеза РНК » терминация – остановка синтеза РНК σ- фактор специфичности • cам по себе σ - фактор обладает наименьшим сродством к ДНК по сравнению с другими субьединицами РНК-полимеразы, однако он придает holo-ферменту такую конформацию, которая обладает повышенным сродством к промотору, обеспечивает его узнавание

Оперон - единица транскрипции у прокариот • В начале каждого оперона находится промотор • промотор - особая последовательность ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой • именно с промотора начинается синтез специфической РНК • 5 - конце находится нетранслируемая область - untranslated region 5 UTR, необходимый для инициации трансляции • В конце каждого оперона находится терминатор • терминатор - особая последовательность ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой как сигнал окончания транскрипции 3 UTR, он не транскрибируется • Перед терминатором располагаются структурные гены, или цистроны • цистрон - последовательность ДНК, кодирующая один полипептид или одну t. РНК или одну r. РНК • Между промотором и цистронами может находиться оператор

• Оператор - особая последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая белком-репрессором • Оператор выполняет диспетчерскую функцию - он разрешает или запрещает синтез РНК

• Существуют моно-, олиго- и полицистронные опероны • цистроны объединяются в оперон таким образом, чтобы закодированные в них белки принимают участие в одной биохимической цепи реакций • Транскрибируются обе цепи ДНК, но в каждом отдельном опероне только одна из них, какая именно, определяется положением промотора и терминатора (ассиметричность транскрипции)

Промотор • РНК-полимераза узнает и прочно связывается промоторами • Образуется комплекс различающийся по первичной и по вторичной структуре • Путем секвенирования выявили структуру многих промоторов • У большинства из них имеется общее свойство

Особенности структуры промотора • РНК-полимераза • узнает промотор - 40 -60 пар нуклеотидов • в промоторе узнается взаимное расположение двух расплавленных AT-богатых участков • в каждом из них расплавлено 4 -6 пар • центры этих косенсусных, мало вармабельных участков находятся в положениях "-10" и "-35" – – • Около "-10" расположен бокс Прибнова (ТАТААТ) Около "-35 « расположен бокс ТТGAGA Принципиально важным является расстояние между расплавленными участками - оно варьирует от 16 до 19 п. н. • искусственное увеличение этого расстояния до 20 п. н. или уменьшение его до 15 п. н. приводит к тому, что РНК-полимераза не узнает «испорченный» промотор

• Часть промоторов (5%) прокариот имеют только участок "-10", они хорошо узнаются РНК-полимеразой • Такие промоторы представлены палиндромными последовательностями, принимающими форму креста при суперспирализации кольцевых молекул ДНК • палиндромы - последовательности, которые читаются одинаково слева направо и справа налево. • палиндромы первого порядка имеют одну ось симметрии, второго - две, третьего - три

Синтез молекул РНК • • • Сразу же как только произошло узнавание ( п 1), РНК-полимераза перемещается в позицию 2 В каталитическом центре инициации транскрипции, находящемся в βсубъединице, оказывается +1 нуклеотид оперона Переход из п. 1 в п. 2 регулируется - он возможен, если на операторе нет белкарепрессора Далее происходит инициация образование первой фосфодиэфирной связи между пуринтрифосфатом (АТФ или ГТФ) и следующим нуклеотидом После инициации σфактор покидает фермент

• Элонгация • • • Элонгация - наращивание цепи РНК является процессом продолжения транскрипции Скорость элонгации 40 -50 нукл. /сек Core-фермент РНК- полимеразы покрывает примерно 40 пар нуклеотидов (4 витка спирали ДНК) • Для комплементарного синтеза РНК необходим разрыв водородных связей в ДНК, разрыв водородных связей на 4 -х витках спирали - очень энергоемкий процесс. Он не был обнаружен при изучении транскрипции РНК-полимераза переводит ДНК из Вформы в А-форму В ней плоскости азотистых оснований не перпендикулярны оси спирали, а наклонены на 200 к перпендикуляру. Это облегчает "выворачивание" двух соседних азотистых оснований в цепи ДНК для того, чтобы напротив них встали комплементарные нуклеотиды РНК. В пользу этого говорит полная идентичность параметров А-формы ДНК и гибрида, состоящего из одной цепи ДНК и одной – РНК "Мотором" транскрипции является энергия, высвобождающаяся при отщеплении пирофосфата от каждого рибо-НТФ.

Терминация • Различают специфическую терминация • ρ- независимую • ρ- зависимую • ρ - независимая терминация • в терминаторе присутствует 6 - членный палиндром, поэтому в синтезируемой РНК формируется шпилька, богатая GC-парами, которая меняет конформацию РНКполимеразы и фермент теряет сродство к ДНК • Серия остатков U (4), следующая за шпилькой, также приводит к терминации транскрипции

• ρ - зависимая терминация – ρ -фактор - это белок • имеющий четвертичную структуру • обладающий АТФ-азной активностью, • способный узнавать 5`конец синтезируемой РНК длиной приблизительно 50 н • садиться на него • двигаться по РНК с такой же скоростью, с которой РНК-полимераза движется по ДНК • В последовательности терминатора много Г-Ц пар, достигая их, РНК-полимераза замедляет ход, ρ - фактор ее • «догоняет» • изменяет конформацию • и синтез РНК прекращается

Ингибиторы транскрипции прокариот • Существует множество ингибиторов транскрипции • они действуют по разным механизмам и на разных стадиях • большинство из них – антибиотики – рифампицин - связывается с центром инициации holo-РНК-полимеразы E. сoli – стрептолидигин - связывается с центром элонгации core-РНКполимеразы E. сoli

Регуляция транскрипции прокариот на уровне оперонов

• Схема негативной индукции Lac-оперона E. coli Жакоба и Моно Lac-оперон E. coli содержит 3 гена белков переноса и расщепления дисахарида лактозы • • • Z -β - галактозидаза катализирует асщепление лактозы на глюкозу и галактозу Y- β – галактозидпермеаза переносит лактозу через мембрану клетки А - тиогалактозидтрансацетилаза ацетилирует галактозу В отсутствии в клетке лактозы lac- оперон выключен Активный белок - репрессор, кодируемый в моноцистронном опероне (Lac. I) , не имеющем оператора, связан с оператором lac-оперона Оператор перекрывается с промотором, даже посадка РНК-полимеразы на промотор невозможна Как только некоторое количество лактозы попадает в клетку, две молекулы лактозы взаимодействуют с белком - репрессором, изменяют его конформацию и он теряеет сродство к оператору Тут же начинается транскрипция lacоперона и трансляция образующейся m. РНК; три синтезируемых белка участвуют в утилизации лактозы Когда вся лактоза переработана, очередная порция репрессора, свободного от лактозы, выключает lacоперон Эта схема называется негативной потому, что фактором, контролирующим транскрипцию, является негативный фактор- "выключатель" - белок репрессор. Индукция (включение) происходит при потере сродства белка репрессора к оператору

Схема позитивной индукции • Аra-оперон E. сoli содержит • 3 цистрона, которые кодируют ферменты, расщепляющие сахар арабинозу • в норме оперон закрыт • • Белок - репрессор связан с оператором Когда в клетку попадает арабиноза, она взаимодействует с белком – репрессором Белок - репрессор меняет конформацию и превращается из репрессора в активатор, взаимодействующий с промотором и облегчающий посадку РНК-полимеразы на промотор Эта схема регуляции называется позитивной индукцией, поскольку контролирующий элемент белок - активатор "включает" работу оперона

Схема позитивной репрессии • Оперон синтеза рибофлавина Вacilus subtilis содержит • цистроны ферментов синтеза рибофлавина • есть белок-активатор, обеспечивающий посадку РНКполимеразы на промотор • внорме оперон открыт • • • Образуется N молекул рибофлавина N+1 -ая молекула (лишняя) взаимодействует с активатором и он теряет способность активировать посадку РНКполимеразы на промотор Позитивная репрессия, поскольку в регуляции участвует белок - активатор, а сама регуляция заключается в выключении транскрипции

Схема негативной репрессии • Оперон синтеза триптофана у E. сoli • содержит 5 цистронов • Цистроны кодируют ферменты последовательной цепи реакций синтеза триптофана • в норме оперон включен • • Белок - репрессор неактивен -в форме апо-репрессора - он не способен садиться на оператор Клетке нужно N молекул триптофана N+1 -ая молекула взаимодействует с апо-репрессором апо-репрессор меняет конформацию, взаимодействует с оператором синтез РНК прекращается. Схема регуляции - негативная репрессия, потому что белок репрессор "выключает" оперон Помимо "грубой схемы" включения выключения, есть и тонкая регуляция синтеза триптофана аттенуация

Аттенуация (ослабление) • Между оператором и первым цистроном триптофанового оперона E. сoli есть протяженный участок (162 п. н. ), который содержит аттенуатор • в этом районе происходит прекращение транскрипции и отсоединение РНК-полимеразы от ДНК • происходит остановка РНК-полимеразы в процессе транскрипции в том случае, если концентрация триптофана в клетке к этому моменту повысилась • В аттенуаторе выделяют 4 последовательности, частично комплементарные другу • первая кодирует 14 -и членный пептид (Met-Lys-Ala-Ile. Phe-Val-Leu-Lys-Gly-Trp-Arg-Thr-Ser) • на 10 -ом и 11 -ом месте в нем стоит триптофан

Если триптофан в клетке есть и он доступен то • рибосома с легкостью преодолевает участок 1 • и стерически мешает образованию шпильки (2)-(3) • тогда образуется шпилька (3)-(4) • она узнается РНКполимеразой как сигнал прекращения транскрипции • Синтез m. РНК обрывается Если триптофан недоступен, то • рибосома застревает на участке 1 • и образуется шпилька (2)-(3) • в этом случае не может образоваться шпилька (3)-(4) • сигнала для прекращения синтеза m. РНК нет

Позитивный контроль работы lac-оперона • • Lac-оперон, подчиняющийся схеме негативной индукции, имеет и позитивный контроль ц. АМФ образуется из АТФ ферментом аденилатциклазой Фосфодиэстераза превращает ц. АМФ в АМФ Глюкоза активирует второй и инактивирует первый фермент Чем больше в клетке глюкозы, тем меньше ц. АМФ. Если нет глюкозы, то ц. АМФ соединяется с белком катаболической репрессии (САР) и образуется комплекс САР·ц. АМФ, активирующий посадку РНКполимеразы на промотор В присутствии лактозы lac-оперон включается и работает Если же в клетке есть еще и глюкоза (более экономичный источнок энергии), то нет ц. АМФ - и активатор не образуется, lacоперон работает "вяло", без дополнительной индукции

Регуляция экспрессии генов эукариот на уровне транскрипции

• В ядре эукариот выделяют 3 типа специализированных РНК-полимераз: • РНК-полимераза I - синтезирует r. РНК (кроме 5 S r. РНК). • РНК-полимераза II - синтезирует m. РНК и некоторые s. РНК. • РНК-полимераза III - синтезирует t. РНК, некоторые s. РНК и 5 Sr. РНК • РНК-полимеразы различаются – количеством субъединиц – аминокислотным составом – зависимостью от катионов магния и марганца » РНК-полимеразы I и III требуют для работы следующие соотношения [Mn 2+]/[Mg 2+] = 2 » РНК-полимеразы II - [Mn 2+]/[Mg 2+] = 5 – чувствительностью к α- аманитину (токсину бледной поганки, который полностью подавляет работу ферментов » РНК-полимеразы II в концентрации 10 -8 М и » РНК-полимеразы III ( в концентрации 10 -6 М) » РНК-полимераза I фактически нечувствительна к этому токсину • Помимо ядерных РНК-полимераз у эукариот еще есть РНК-полимеразы хлоропластов и митохондрий, кодируемые ядерным геномом, а не в соответствующих органеллах. В органеллах образуются свои t. РНК, r. РНК и рибосомные белки

• Единицей транскрипции у эукариот является не оперон, как у прокариот, а отдельный ген – оператор, как таковой, отсутствует – промотор есть, но он организован иначе • на расстоянии -25 п. н. от +1 нукл. находится ТАТА-бокс, его позиция определяет точку инициации транскрипции • на расстоянии -60 -80 п. н. находится ЦААТ-бокс, который не является абсолютно необходимым, но присутствует перед большинством генов • расстояние между ЦААТ и ТАТА большое и РНК-полимераза не способна взаимодействовать со всей этой последовательностью • ЦААТ опознается своим белком, а ТАТА - своим • есть еще несколько белков, необходимых для инициации транскрипции, называемых базальными факторами транскрипции » базальные факторы транскрипции необходимы для инициации транскрипции всеми тремя ядерными РНКполимеразами. – для любого гена, кодирующего белок, есть энхансеры (усилители).

• Последовательности ДНК, усиливающие (энхансеры) и ослабляющие (сайленсеры) транскрипцию при взаимодействии со специфическими белками • • • Энхансеры - прерывистые последовательности нуклеотидов Отдельные части энхансеров называеются модулями • модули - это короткие последовательности, не более 2 х витков спирали (20 п. н. ), которые могут находиться перед, за и даже внутри гена Одинаковые модули могут встречаться в разных энхансерах Для каждого энхансера набор модулей уникален – М 1+М 2+М 3+М 4 - один энхансер, состоящий из 4 -х модулей – Все 4 модуля узнаются своими белками, а они, располагаясь на ДНК, взаимодействуют друг с другом Если в клетке присутствуют все соответствующие белки, то участку ДНК придается определенная конформация и начинается синтез m. РНК Сайленсеры - последовательности ДНК, ослабляющие транскрипцию при взаимодействии с белками При соответствующем наборе белков экспрессия отдельных генов в клетке может быть подавлена

Редактирование РНК Редактирование молекул РНК осуществляется и на посттранскрипционном уровне, такое редактирование присутствует у животных, растений, простейших (Tetrachymena) • на 5 -ОН конце РНК-полимераза II кэпирует транскрипт РНК – » удаляет концевой фосфат » его место занимает остаток GMP, переносимый от GTP, » затем происходит метилирование в положении N-7, а также 2 -ОН второго и иногда третьего нуклеотида » поэтому стартовая точка гена обозначается как кэп - сайт • на 3 -ОН конце РНК-полимераза II » синтезирует последовательность AAUAAA, кодируемую матричной цепью, при этом транскрипция подолжается, и только потом фермент завершает свою работу, » транскрипт за пределами поли AAUAAA отщепляется » независимо от матрицы осуществляется полиаденилирование – присоединенение к последовательности около 200 адениновых нуклеотидов, образующих поли (А)- хвост Сплайсинг – процессинг - созревание РНК – соединение экзонов » все интроны начинаются с GU, а заканчиваются AG, эти последовательности определяют местоположение подлежащих удалению фрагментов РНК - интронов » процесс катализируется сложными рибонуклеопротеидными структурами – сплайсосомами, содержащими мя. РНК (малую ядерную РНК) • Эти процессы имеют значение для дополнительной стабилизации генетической информации в наиболее уязвимых для мутагенеза генетических локусах • Предполагается, что интроны могут обеспечить тасование генетического материала и облегчают эволюцию

• Геном - вся совокупность молекул ДНК клетки, для ряда вирусов - РНК • Все соматические клетки многоклеточного эукариотического организма имеют абсолютно одинаковый набор генов, однако работают они как слаженный ансамбль • Клетки дифференцированы и специализированы т. к. • все гены работают только на фоновом уровне имеют фенотипического проявления • экспрессируются лишь те гены, у которых все энхансерные модули узнаны своими белками и эти белки взаимодействуют друг с другом • отдельные гены находятся под воздействием сайленсеров – ослабителей работы генов •

Органеллы имеют свой геном Различают геномы » ядерный » митохондриальный » хлоропластов

Критерии, позволяющие отличить внеядерную наследственность от хромосомной • невозможность выявить сцепленность определенных генов с хромосомными генами • независимость проявления признака от замены ядер в клетках • наличие связи между наследованием определенных признаков и переносом в клетку определенной цитоплазматической ДНК • различия в результатах реципрокных скрещиваний • отсутствие типичного количественного менделевского расщепления признаков в потомстве, зависимого от расхождения гомологичных хромосом в мейозе

Внеядерная, или неменделевская, наследственность, обусловлена молекулами нуклеиновых кислот, реплицирующихся в цитоплазме в виде автономных структур либо в составе клеточных органелл

Особенности организации геномов органелл эукариот

• Геном органеллы – часть ДНК, физически ограниченная определенным участком клетки, и поэтому характеризующаяся своим собственным способом экспрессии генов и ее регуляции • митохондрии и хлоропласты – два типа органелл, обеспечивающих преобразование энергии в клетке • Для геномов митохондрий и хлоропластов клеточных органелл характерны • материнский тип наследования – предпочтительное наследование материнского генотипа • соматическая сегрегация – сохранение родительских генотипов, при этом во время роста часть клеток имеют фенотип одного из родителей, тогда как другие - фенотип второго родителя

Аппарат белкового синтеза органелл • • Большая часть белков митохондрий и хлоропластов – детерминируется ядерными генами и импортируется из окружающей цитоплазмы В каждой органелле происходит также свой собственный синтез белка – В митохондриях синтезируется небольшое число белков, каждый из которых является компонентом олигомерного комплекса – Все белковые компоненты митохондриального аппарата синтеза белков являются уникальными, т. е. кодируются собственными ядерными генами – В хлоропластах синтезируется большое число различных белков – Вся РНК, входящая в состав аппарата белкового синтеза, продуцируется самой органеллой

Сложность геномов органелл • Известные геномы органелл (почти все) представлены уникальной последовательно стью кольцевой молекулы ДНК • Пределы варьирования сложности геномов органелл – узкие для хлоропластной ДНК – широкие для митохондриальной ДНК

Строение и особенности функционирования геномов митохондрий про- и эукариот

Митохондрии-реплицирующиеся органеллы клеток эукариот Обладают собственной ДНК и белок-синтезирующим аппаратом Митохондриальные ДНК - обычно кольцевые молекулы – около 20 000 н, – обе цепи полностью транскрибируются в линейные транскрипты, которые подвергаются процессингу с образованием м. РНК (полиаденилированы как у эукариот, но не кэпированы, как у прокариот), т. РНК и р. РНК – кодируют небольшую часть белков органелл – Трансляция происходит сходно с прокариотами • Способны к делению, их число находится под контролем: – около 1000 в гепатоцитах крысы, – 10 000 - в овоцитах лягушки – 5 -10 копий - у млекопитающих

• Отличия митохондриального генома от ядерного заключаются в том, что • мт. ДНК наследуется строго по материнской линии • У мт. ДНК осутствует рекомбинации (за исключением некоторых видов дрожжей) • Возможная передача отцовских мт. ДНК потомкам избирательно блокируется на молекулярном уровне, поэтому зигота приобретает только один набор мт. ДНК, содержащийся в цитоплазме яйцеклетки • Митохондриальный геном – эволюционирует посредством последовательного накопления мутаций – имеет уникальную особенность - высокую скорость замен нуклеотидов в процессе эволюции • в мт. ДНК млекопитающих замены составляют – 10 -8 на сайт в год, или 0, 01 замены на пару нуклеотидов за 1 млн лет

Митохондриальный геном дрожжей В геноме митохондрий дрожжей – число генов не превышает 20 – выделяют восемь м. РНК, транскрибируемых с помощью РНК-полимеразы, кодируемой ядерными генами – отличительная особенность состоит в пространственной разобщенности генов, кодирующих р. РНК. – ген, кодирующий 15 S-р. РНК, непрерывен и располагается на расстоянии около 25 тпн от гена для 21 S-р. РНК – суммарная длина мозаичных генов box, (цитохром b) и oxi 3 (субъединица 1 цитохромоксидазы) равна почти всей длине митохондриального генома млекопитающих – значительную часть митохондриального генома дрожжей (около 25%) состоит из коротких (А-Т)-богатых участков ДНК

Особенности функционирования митохондриального генома дрожжей • Митохондриальный геном дрожжей имеет удивительно непостоянное строение. – значительная часть мит. ДНК может утрачиваться в результате делеции, как в случае петит (petite)-мутантов Saccharomyces cerevisiae. – все петит-мутации нарушают функционирование митохондрий. – все мутации митохондриального генома являются условно-летальными, вызывающими гибель дрожжей лишь в аэробных условиях. • • • Петит-мутации S. cerevisiae: – ядерные – это менделевские (т. е. ядерные) мутации, полностью нарушающие деятельность митохондрий – нейтральные (rho 0) – рецессивный генотип, при котором отсутствует вся мит. ДНК – супрессируемые (rho-) – вызывают значительные аномалии в размере кольцевых молекул мит. ДНК (0. 2 -36% от обычной длины) При скрещивании петит-штамма со штаммом дикого типа у части потомства обнаруживается только пептит-генотип. Это явление называется супрессией Для мит. ДНК дрожжей возможна рекомбинация

Организация генома митохондрий млекопитающих • • Чрезвычайно компактно организован Не имеет интронов Почти каждая пара оснований принадлежит какому-либо гену – за исключением D-петли - области, отвечающей за инициацию репликации ДНК, – не более 87 из 16 569 пн митохондриального генома человека можно отнести к межцистронным участкам Некоторые гены перекрываются В митохондриальной ДНК человека обнаруживаются – 22 гена т. РНК – 2 гена р. РНК – 13 участков кодирующих белки • цитохром b, • цитохром-оксидазу (3 субъединицы) • одну из субъединиц АТФазы. Гены т. РНК располагаются между генами р. РНК или белков Большинство генов экспрессируются в одном направлении – из 15 областей, кодирующих белок или р. РНК млекопитающих, 14 транскрибируются по часовой стрелке – из 22 генов т. РНК дрожжей 14 экспрессируются по часовой стрелке и 8 - против

Модель транскрипции митохондриальной ДНК млекопитающих • • • Мт. ДНК млекопитающих построена как аналог бактериального оперона Прерывание участков, кодирующих р. РНК и белки, генами т. РНК не оставляет место для промоторов Для генов, транскрибируемых в направлении по часовой стрелке, имеется общий промотор, расположенный в области D-петле – Транскрипция начинается перед геном т. РНК (расположенным перед геном 12 S-р. РНК), проходит почти по всему кругу и терминируется в D-петле. – Образующаяся при этом цепь называется Нцепью – Синтезируется гигантский транскрипт, от которого остаются только некоторые т. РНК и м. РНК, а все остальные разрушаются – Гены т. РНК чередующиеся с областями, кодирующими р. РНК и белки, являются сайтами расщепления продукта транскрипции – При расщеплении первичного продукта транскрипции по сайтам, расположенным по обе стороны каждого гена т. РНК, на всех генах кроме генов АТФазы 6 и цитохромоксидазы 3, синтезируются моноцистронные продукты – Индивидуальные т. РНК и м. РНК выделяются уже из транскрипта. Процессинг транскрипта является основным этапом экспрессии генов Точка начала транскрипции L-цепи (против часовой стрелки) также располагается в области D-петли

Болезни человека, связанные с дефектами мт. ДНК • Известен ряд болезней человека, возникающих вследствие мутаций в митохондриальной ДНК – наследственная оптическая нейропатия Лебера – синдром Кернса-Сэйра – болезнь миоклональной эпилепсии и грубокрасный волокон • эти болезни наследуются по материнской линии

Наследование при гетероплазмии митохондрий • • • В большинстве случаев болезней, связанных с дефектами мт. ДНК клетки больных индивидуумов содержат смесь нормальных и мутантных митохондрий Такое состояние называется гетероплазмией Характерно, что пропорции двух типов митохондрий варьируют от ткани к ткани и от особи к особи в пределах одной родословной Степень тяжести заболевания примерно коррелирует с относительным количеством мутантных митохондрий Женщина с умеренным проявлением митохондриальной болезни может родить детей с варьированием степени заболевания от самой сильной до полного его отсутствия Частота встречаемости гетероплазмии в популяциях человека может достигать 10 -20%

Редактирование м. РНК и его последствия м. РНК митохондрии трипаносом подвергаются редактированию Транскрипты РНК обладают дополнительными U, которые не были предусмотрены в ДНК, расположенными в особых местах для образования правильной последовательности, кодирующей белки Редактирование может происходить в ядерных транскриптах у млекопитающих В результате из одного тренскрипта гена апопротеина В может образоваться 2 м. РНК » Нередактированная м. РНК кодирует апопротеин В 100, » Редактированная – апопротеин В 48, где соответствующий С конвертирован в U •

Строение и особенности функционирования геномов хлоропластов

Геномы хлоропластов • • • 1908 -1909 гг. К. Корренс и Э. Баур - первые факты пластидной наследственности в исслдеованиях пестролистности у ночной красавицы Mirabilis jalapa. В реципрокном скрещивании пестролистных и зеленых растений были получены различные результаты – Если материнская форма была пестролистной, а отцовская зеленой, то все потомство оказывалось пестролистным. Наоборот, когда материнская форма была зеленой, а отцовская – пестролистной, все потомство становилось зеленым – Если потомство от скрещивания материнской пестролистной формы вновь опылить пыльцой от зеленой формы, потомство снова будет пестролистным Налицо противоречие законам Менделя, в которых реципрокные скрещивания давали одинаковый результат Очевидно, что наследование пестролистности связано не с хромосомами, а со структурами цитоплазмы Такими структурами оказались пластиды, в которых локализован хлорофилл

Особенности наследования пластид • Пестролистность обусловлена наличием двух типов пластид, – способных к образованию хлорофилла (хлоропластов) – не способных (лейкопластов) • • • Вследствие этого иногда на растении образуются чисто зеленые или белые ветви Пятнистые участки растения состоят из клеток, содержащих оба сорта пластид – зеленые и белые Во время митоза пластиды распределяются между дочерними клетками случайно Мозаичность будет встречаются лишь в том случае, если материнская клетка содержит оба типа пластид Пыльца не оказывает влияния на тип потомства, т. к. спермий при оплодотворении не вносит в зиготу заметных количеств цитоплазмы

Ген - модель 1960 года • Ген – непрерывная последовательность нуклеотидов ДНК, состоит из регуляторной и структурной частей • регуляторная часть всегда предшествует структурной и определяет уровень его экспрессии через взаимодействие с регуляторными белками • структурная часть гена кодирует единственную полипептидную цепь белка или молекулу РНК и колинеарна белковому продукту • нуклеотидная последовательность гена однозначно определяет и соответствует последовательности аминокислот в кодируемом этим геном белке • Ген имеет четкие границы и постоянную локализацию на хромосоме • Изменения в первичной структуре гена и его перемещения в геноме могут быть только следствием непредсказуемых мутаций и должны приводить к нарушению его функционирования

Современная концепция гена • ГЕН – это фрагмент нуклеиновой кислоты, в последовательности нуклеотидов которого закодирована информация о последовательности нуклеотидов в другой нуклеиновой кислоте или аминокислотной последовательности в белке • ГЕН - это как наследуемая часть генома, оказывающая влияние на какой-либо фенотипический признак (один ген - один признак) • Изменение фенотипа организма однозначно связано с мутационными изменениями генотипа, т. е. с изменениями последовательности нуклеотидов во фрагменте ДНК или РНК, именуемой геном • Генотипические различия всегда передаются от родителей к потомству, т. е носят наследуемый характер

• Ген не всегда колинеарен РНК или белку, которые закодированы в его последовательности – Одна и та же последовательности может кодировать разные полипептидные цепи, а нестабильность генов может быть генетически запрограммированной • уникальное сверхкомпактное кодирование генетической информации обнаружено для мобильного элемента IS 5 бактерий, одна из цепей ДНК содержит два неперекрывающихся гена, а комплементарный им участок другой цепи заключает в себе третий ген, т. е. в одной последовательности располагаются несколько генов • кодирование разных полипептидный цепей одной и той же последовательностью имеет место у эукариот , а также у вирусов - из одного предшественника м. РНК в результате альтернативного сплайсинга образуется несколько зрелых м. РНК, кодирующих разные белки – Ген может кодировать не один белок, а целое их семейство (пример, альтернативный сплайсинг РНК гена модулятора с. АМР респонсивного элемента человека CREM, кодирующего большое семейство позитивно и негативно действующих изоформ фактора транскрипции) • перекрывание информации приводит к образованию новых генов с использованием уже готовых нуклеотидный последовательностей блоков существующих генов, а не из бессмысленных некодирующих последовательностей • Число вариантов увеличивает регуляторный механизм, использующий антисмысловые РНК, синтезируемые в качестве регуляторный макромолекул (плазмида Col. E 1)

Проблема нестабильности генома • Нестабильность генов в геноме запрограммирована Существование большинства организмов зависит не только от высокой стабильности их геномов, но и от запрограммированной нестабильности ряда генетических локусов • существование иммунной системы основано на крупномасштабных перестройках генетического материала в локусах, заключающих в себе последовательности иммуноглобулинов в онтогенезе. • в онтогенезе происходит как бы эволюционные преобразования части генетического материала, из которой возникают новые гены и, соответственно новые белки с различающимися субстратными специфичностями. • гены иммуноглобулинов возникают de novo во время онтогенеза и невозможно предсказать в какой точности набор генов будет создан при реализации такой генетической программы с помощью такого механизма организм решает задачу защиты от не менее непредсказуемого разнообразия антигенов которые постоянно возникают в биосфере, в том числе и вследствие природной нестабильности генов, кодирующих эти антигены, к ним отнесены также гены рецепторов системы обоняния позвоночных

• Генетическая информация ИНДЕТЕРМИНИРОВАНА и это один из важных принципов функционирования генетических систем – Естественная генетическая нестабильность приводящая к созданию новых генов, не существующих у исходных организмов - механизм образования гена фактора σk или σ 27 РНК-полимеразы Bacillus subtilis • в результате процесса происходит объединение в одной рамке считывания гена spo. IVCB, кодирующего N-концевую часть σk с геном spo. IIIC, в котором закодирована недостающая С-концевая часть белка. Фактор σk в составе молекулы РНК-полимеразы функционирует только в процессе споруляции Bacillus subtilis, обеспечивая избирательную транскрипцию бактериальных генов • при этом вновь созданный ген не передается потомству, так как материнские клетки перестают существовать после образования спор, а вместе с ними элиминируются и бактериальная хромосома. Такой способ регуляции экспрессии генов путем продуктивного объединения их участков на уровне геномной ДНК, по видимому, распространен у клеток, претерпевающих терминальную дифференцировку • Генетически запрограммированное непостоянство определенных локусов генома во многих случаях жизненно необходимо • генетически детерминированный уровень мутагенеза отдельных локусов может определять и предпочтительное изменение генов в филогенезе • этот же механизм мог бы контролировать мутабильность индивидуальных генов или их частей в онтогенезе, а также объяснить возможность возникновения адаптивных мутаций

Достижения молекулярной генетики во многом определили лицо современной биологической науки