Лекция Основы наследственности организмов ПЛАН 1 2 3

Лекция: Основы наследственности организмов ПЛАН. 1. 2. 3. Доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации ДНК, строение и функции. Генетический код. Свойства генетического кода. 3. Уровни организации наследственного материала: -Генный -Хромосомный -Геномный

Доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации Трансформация Трансдукция Конъюгация

Трансдукция – перенос ДНК из одной клетки (донор) в другую (реципиент) с помощью бактериофагов. Этот способ обмена открыт в 1952 г. Н. Зиндером и Джю Ледербергом Salmonella typhimurium. В одну половину трубки-штамм 22 А, в другую – штамм 2 А. Они не могли переходить через фильтр. Штамм 22 А несет мутацию, блокирующую синтез триптофана (Т¯), штамм 2 А – блокирует синтез гистидина (Н¯). Фильтрующим агентом, переносящим ген Т+ от штамма 2 А к штамму 22 А оказался бактериофаг.

Трансдукция

Конъюгация – однонаправленная передача генетической информации в результате непосредственного контакт между донорной и реципиентной клеткой.

В скрещиваниях F ¯и F+, установлено, что фактор фертильности (F-фактор) передается с высокой частотой независимо от остальных генов. Клетки Hfr теряют способность к автономной передаче F-фактора, который занимает определенный локус в хромосоме бактерии. В клетках F+ он веден себя как самостоятельная частица. В клетках F ¯ отсутствует. В клетках Hfr – как локус хромосомы. F-фактор (гены, плазмида) – образование пилей, способность к переносу в другие бактерии.

В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон установили, что молекула ДНК состоит из двух правозакрученных комплиментарных (лат. complimentum дополнение) полинуклеотидных цепей – модель двойной спирали. Две цепи молекулы ДНК образуют подобие «веревочной лестницы» , в которой роль «веревок» играют сахарно-фосфатные части нуклеотидов, а роль «перекладин» – основания нуклеотидов.

Структура молекулы ДНК Азотистое основание: A, T, G, C, (U) Углевод: Рибоза (РНК), дезоксирибоза (ДНК) Нуклеозид: А. О. + остаток сахара Нуклеотид: Нуклеозид + ост. фосфорной к-ты А. О. Нуклеозид Нуклеотид Аденин (А) Аденозин Адениловая к-та (AMP, d. AMP) Гуанин (G) Гуанозин Гуаниловая к-та (GMP, d. GMP) Цитозин (С) Цитидин Цитидилоая к-та ( CMP, d. CMP) Тимин (Т) Тимидин Тимидиловая к-та ( TMP, d. TMP) Урацил (U) Уридин Уридиловая к-та (UMP)

Рибонуклеиновые кислоты (РНК). 1. информационная РНК (или м. РНК)(5%) 2. Рибосомная РНК (р. РНК) (85%); 3. траспортная РНК (т. РНК) (10%). Отличие от ДНК: 1. РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки. 2. В состав нуклеотида входит пятиуглеродный сахар – рибоза; 3. Вместо азотистого основания Тимин присутствует Урацил.

Свойства ДНК – репликация и репарация. Функции ДНК: - хранение и реализация наследственной информации; - участие в биосинтезе белка; -передача наследственной информации в ряду поколений клеток. Функции РНК: м-РНК переносит информацию к месту синтеза белка; Т-РНК – транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка-рибосомам. Р- РНК- участвует в образовании малой и большой субъединиц рибосом, следовательно, участвует в биосинтезе белков

В 1961 году Ф. Крик с сотрудниками расшифровали генетический код – это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Свойства генетического кода: 1. Триплетность –сочетание трех нуклеотидов (триплет, или кодон) определяет одну аминокислоту. 2. Однозначность – определённый кодон соответствует только одной аминокислоте 3. Вырожденность (избыточность) – одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. 4. Универсальность – генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности: от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии). Однако из этого свойства есть ряд исключений 5. Непрерывность – между триплетами нет знаков препинания, т. е. информация считывается непрерывно. 6. Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки). (на этом основаны методы генной инженерии). Однако из этого свойства есть ряд исключений.

Реализация генетической информации в живых клетках осуществляется при помощи двух матричных процессов: 1) транскрипции– синтез информационной (матричной) РНК на одной из цепочек ДНК, при участии фермента РНК-полимеразы; 2) трансляции – перевод генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи в рибосомах на матрице и-РНК).

Уровни организации наследственного материала: 1. ГЕННЫЙ 2. ХРОМОСОМНЫЙ 3. ГЕНОМНЫЙ

ГЕННЫЙ УРОВЕНЬ Ген - единица наследственности и изменчивости. Ген – это участок молекулы ДНК, который несет информацию о синтезе полипептида или нуклеиновой кислоты. Гены: структурные и функциональные Гены: регуляторы, модуляторы, ингибиторы, интенсификаторы, модификаторы и др.

Структура гена (регуляторная и структурная части) Ген имеет Экзон-интронную структуру. Экзон - кодирующая часть гена. Как правило - 1 -3 т. п. н. Например: Инсулин - 110 кодонов; Фактор свертывания VIII - 3000; Интрон - некодирующий участок гена, расположенный между экзонами Регуляторные участки гена. Промотор: -25 -30 п. н. - TATA-бокс -70 -80 п. н. - СААТ-бокс – распознавание факторами транскрипции, сборка ДНК-белкового комплекса, инициирующего транскрипцию Энхансеры - усилители транскрипции Сайленсеры - подавители блокируют транскрипцию Аттенюаторы - ослабители -замедляют продвижение Спейсеры - межгенные участки Сателлитная ДНК - повторы разных типов

Первичные функции гена: Хранение и передача генетической информации:

Свойства гена Гены характеризуются определенными свойствами: 1. Специфичностью (каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком расположения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида). 2. Целостностью ( при программировании синтеза белка ген выступает как неделимая единица). 3. Дискретностью (наличие субъединиц). 4. Стабильностью (относительно устойчивы). 5. Лабильностью (способность мутировать). 6. Плейотропией (один ген может отвечать за проявление нескольких признаков). 7. Экспрессивностью (степень фенотипического проявления). 8. Пенетрантностью (частота проявления гена).

Современное состояние теории гена 1. Ген занимает определенный локус 2. Ген(цистрон) – часть молекулы ДНК – функциональная единица наследственной информации. Число нуклеотидов в гене неодинаково. 3. Внутри гена могут происходить рекомбинации (реконы) и мутирование (мутоны). 4. Существуют структурные и функциональные гены. 5. Структурные гены кодируют синтез белков, но ген не принимает непосредственного участия в синтезе белка. ДНК-матрица для молекул и РНК. 6. Функциональные гены контролируют и направляют деятельность структурных генов. 7. Расположение триплетов из нуклеотидов в структурных генах колинеарно аминокислотам в полипептидной цепи, кодируемой данным геном. 8. Молекулы ДНК, входящие в состав гена, способны к репарации, поэтому не всякие повреждения гена ведут к мутациям. 9. Генотип будучи дискретным (состоящим из отдельных генов), функционируют как единое целое. На функцию генов оказывают влияние факторы как внутренней, так и внешней среды.

Теория гена подтверждает. Что наследственность человека подчиняется единым законам записи генетической информации в генах, явлениям мутаций и законам менделевского наследования. Многочисленные дефекты и наследственные болезни человека объясняются менделевскими законами наследования, являясь доминантными или рецессивными аллелями, имеют промежуточное или кодоминантное наследование. Хорошо известна мутация альбинизма, при которой человек почти полностью лишается пигмента в коже, волосах и глазах.

Хромосомный уровень организации генетического материала Доказательства: 1. Генетическое определение пола. 2. Установление групп сцепления. 3. Построение генетических и цитологических карт. Генетический материал, локализованный в ядре эукариотической клетки в ходе клеточного цикла проходит ряд изменений, которые включают несколько уровней компактизации. Хроматин( интерфазное ядро)→ Метафазная хромосома (митоз)

Хроматин – комплекс ДНК и белков (гистонов и негистонов) Хроматин эухроматин гетерохроматин Эухроматин (слабо конденсированный, активный) Гетерохроматин (сильно конденсированный, неактивный) ядрышко Факультативный ядро (содержит гены, не активные в данной клетке в данное время) Конститутивный (структурный) не содержит генов

Тельце Барра – пример факультативного гетерохроматина, можно видеть в соматических клетках женского организма млекопитающих

Исследование полового хроматина – тельца Барра У пациента берется соскоб эпителия ротовой полости Помещается на предметное стекло Окрашивается Рассматривается Дешевый экспресс метод определения числа Х хромосом: клетка ядро ХО или ХУ Нет тельца Барра ХХ или ХХУ 1 ХХХ или ХХХУ 2 И так далее

Хромосомы. Хромосома: компонента клетки, несущая генетический материал и способная к саморепликации. Одна молекула ДНК + белки Теломера - специализированая структура на концевом участке хромосомы, обеспечивающая стабильность линейных молекул ДНК и участвующая в репликации Центромера - участок хромосомы, к которому прикрепляются нити веретена при делении клетки Кариотип - набор хромосом организма и их характерисктика (число, размер, форма)

Хромосомы и хроматин по химическому составу– это ДНК, основные белки - гистоновые и кислые - негистоновые, небольшое количество РНК, ферменты, фосфолипиды, металлы кальция, магния. Известно 5 гистонов: Н 1, Н 2 А, Н 2 В, Н 3, Н 4. Эти белки высоко консервативны, т. е. идентичны у всех эукариот. Морфология хромосом хорошо выявляется во время митоза. Основная функция хромосом – хранение, воспроизведение и передача генетической информации при размножении клеток и организмов. Метафазная хромосома

Типы хромосом Метацентрические Субметацентрические Акроцентрические Метацентрики (cen в середине): 1 -3, 19 -20 Субметацентрики (cen смещена от центра): 4 -5, 6 -12, 16 -18, Х Акроцентрики (cen в дистальной части): 13 -15, 21 -22, Y РАЗМЕРЫ ХРОМОСОМ: Длина от 0, 2 до 50 μ Диаметр от 0, 2 до 3 μ Хромосомы: аутосомы (одинаковые у обоих полов) и половые хромосомы.

Хромосомные карты Генетические – где лежит какой ген Цитологические – по окраске Физические – основаны на точном расстоянии в базах, кило-, мега- и гига базах Рестрикционные – вид физической карты, на которой указаны расстояния между соседними сайтами расщепления ДНК определенной рестриктазой (разрезающим ферментом) Карты часто бывают комбинированные 1 с. М (сентиморган = морганида) – единица расстояния между генами, при которой вероятность кроссинговера равна 1%, (соответствует примерно 1 мегабазе) Методы создания хромосомных карт: Гибридологический (по результатам скрещиваний. Т. Морган) Анализ родословных (генеалогический) Генетики соматических клеток ДНК-зондов

Хромомерная организация хромосом Хромомерную организацию хромосомы имеют только в профазе митозе, мейоза (лептотена, пахитена) у всех эукариот. Хромомеры наиболее выражены в политенных хромосомах и хромосомах типа «ламповых щеток» . Хромомеры разных хромосом имеют общие свойства: Все они являются отрезками компактизированной ДНК; Число и рисунок хромомеров у данного организма постоянны на данной стадии клеточного цикла. Хромомеры делят на 4 группы: Лептотенные; Пахитенные; Хромосомы типа «ламповых щеток» ; Интерфазные политенные хромосомы.

Хромосомы типа «ламповых щеток» Эти хромосомы формируются в мейозе. Длина – от 400 до 800 мкм. Она состоит из длинной нити, на которой располагаются гранулы – хромомеры размером 1 -2 мкм. Хромомеры присутствуют парами, от них отходят петли. Каждая хромосома состоит из 2 -ух хроматид. На петле происходит транскрипция.

Политенные хромосомы - Политенные хромосомы имеют гигантские размеры, т. к. состоят из тысяч нитей – хроматид. Они имеют рисунок поперечной исчерченности – рисунок хромомеров. Хромомеры – декомпактизованы – максимальные возможности для экспресии. Число хромосом в ядрах с политенными хромосомами гаплоидное, т. к. гомологичные хромосомы каждой пары конъюгируют. В ядре выделяют два типа расположения хромосом: Независимые хромосомы; Связанные с объединением прицентромерных районов всех хромосом в общий хромоцентр.

Механизмы образования политенных хромосом Политенные хромосомы развиваются за счет последовательных дупликаций каждого хромосомного элемента. При максимальной конъюгации образуются «классические» политенные хромосомы. Они имеют поперечную исчерченность. Вдоль хроматиды расположены хромомеры и межхромомеры. Хромомеры сближаются и образуют поперечную полоску – диск, а деконденсированные участки хроматид – междиски. Отдельные группы дисков – маркеры районов хромосом, целых хромосом.

Пуфы являются районами хромосом, в которых гены находятся в активном состоянии: разрыхление диска и формирование специального пуфа - морфологическое проявление активированного гена. В области активированного гена сначала накапливаются белки (транскрипционный факторы), затем РНК и белков, упаковывающих эту РНК в гранулы, в составе которых она поступает из ядра в цитоплазму.

ГЕНОМНЫЙ УРОВЕНЬ Геном - вся совокупность генетического материала организма (вся ДНК в гаплоидном наборе хромосом). Генотип –вся совокупность генетического материала в диплоидном наборе хромосом. Кариоти п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д. ) полного набора хромосом, присущий клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток.

Кариотипом - иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы). Для определения кариотипа используются клетки в одной из стадий их деления - метафазе митоза. Систематизированный кариотип называют идиограммой. ПРАВИЛА ХРОМОСОМ. 1. Правило постоянства числа хромосом. 2. Правило парности хромосом. 3. Правило индивидуальности хромосом. 4. Правило непрерывности хромосом.

Идиограмма – систематизированный кариотип

Денверская классификация хромосом (1960 г. ) Эта классификация учитывает форму, положение центромеры, наличие вторичных перетяжек и спутников. 23 пары хромосом разбили на 7 групп от А до G. Важным является центромерный индекс, который отражает отношение (в%) длины короткого плеча к длине всей хромосомы.

Парижская классификация хромосом ( 1971 г. ) В основе Парижской классификации лежит дифференциальная окраска хромосом, дающая чередование поперечных темных и светлых полос. Короткое плечо обозначают p, длинное – q. Плечи разделены на районы, нумеруемые по порядку от центромеры к теломере. Внутри районов нумеруют полосы. Если локализация гена известна, для обозначения гена используют индекс полосы. Например, локализация гена, колирующего эстеразу, обозначается 13 p 14. 4 – это полоса первого района короткого плеча 13 хромосомы.

Процедура определения кариотипа Для процедуры определения кариотипа могут быть использованы любые популяции делящихся клеток, для определения человеческого кариотипа используют одноядерные лейкоциты, извлечённые из пробы крови, деление которых провоцируется добавлением митогенов. Затем производится остановка деления клеток на стадии метафазы митоза добавлением колхицина - алкалоида, блокирующего образование микротрубочек и «растягивание» хромосом к полюсам. Полученные клетки в стадии метафазы фиксируются, окрашиваются и фотографируются под микроскопом Исследование кариотипа (кариотипирование = цитогенетическое исследование позволяет диагностировать хромосомные и геномные мутации

Отделение лейкоцитов Кровь (или другой материал) Добавление стимулятора митоза – ФГА (фитогемагглютинина) 72 часа Добавление колхицина – блокатора микротрубочек Деление лимфоцитов тормозится на стадии метафазы

Добавление гипотонического раствора – клетки разбухают при раскапывании от удара о стекло хромосомы разлетаются в стороны – образуется метафазная пластинка Х ХХ Х Х х х Затем препарат фиксируют и окрашивают

Классический и спектральный анализы кариотипа Для получения классического кариотипа используется окраска хромосом различными красителями или их смесями: в силу различий в связывании красителя с различными участками хромосом окрашивание происходит неравномерно и образуется характерная полосчатая структура (комплекс поперечных меток, англ. banding), отражающая линейную неоднородность хромосомы и специфичная для гомологичных пар хромосом и их участков (за исключением полиморфных районов, локализуются различные аллельные варианты генов)( дифференциальное окрашивание хромосом). Сравнение комплексов поперечных меток в классическом кариотипировании и участков со специфичными спектральными характеристиками позволяет идентифицировать как гомологичные хромосомы, так и отдельные их участки, что позволяет детально определять хромосомные и геномные нарушения.

FISH -метод – Fluorescent in situ hybridization дал еще больше возможностей FISH-метод позволяет лучше распознавать хромосомные перестройки, чем одноцветная окраска

Многоцветная флуоресцентная гибридизация in situ (FISH-гибридизация)

Геном - вся совокупность генетического материала организма (вся ДНК в гаплоидном наборе хромосом)

КЛЮЧЕВЫЕ ВЕХИ В ПРЕДСТАВЛЕНИИ О ГЕНОМЕ ЧЕЛОВЕКА Человеческий протеом содержит до 250. 000 белков, следовательно представление о том, что один ген кодирует один белок и одно заболевание ошибочны. H. Sapiens не изобрел новых генов, но использовал структурные домены, собирая из них новые белки, обладающие новыми свойствами. В основе фенотипической сложности лежат механизмы, включающие альтернативный сплайсинг, пост-трансляционные модификации и нелинейную сеть клеточных регуляторных процессов Окружающая среда может быть ключевым фактором, делающим нас такими, какие мы есть. Существует опасность геномомании

Геном человека: сиквенс завершен 1990 - начало программы «Геном человека» Февраль 2001 - черновой сиквенс Апрель 2003 - полный сиквенс Бюджет 1990 -2003 - 3, 5 млрд USD

Сиквенирование - заводской процесс на ABI Prizm 3700 at the Whitehead Institute, Center for Genome Research. Цикл непрерывный при 15 мин труда оператора в сутки Celera - сиквенирует более 1, 5 млрд п. н. в месяц Сиквенс генома человека занял 9 месяцев 10 дней и 200 млн долларов. . . После 10 лет разработки методов и инструментов Lander e. a. , Nature (2001), v. 409, p. 860

В результате геномного проекта, целью которого являлось выяснение последовательностей оснований в ДНК(секвенирование) в геноме человека было установлено: (с 1990 по 2003 гг. рук. Дж. Уотсон, Ф. Коллинс) 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Общее количество генов в геноме человека около 30 000. На один человеческий ген приходится больше разновидностей белка, чем у других организмов. Белки более сложные. Уровень мутаций у мужчин в 2 раза больше, чем у женщин. Homo sapiens на 99, 9% идентично по ДНК. Разработаны новые технологии секвенирования генома человека и других организмов. Гаплоидный геном человека составляет примерно 3 300 000 баз, т. е. 3300 с. М

ЧТО ДАДУТ ГЕНОМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В XXI ВЕКЕ Прогноз Ф. Коллинза, руководителя геномной программы США 2010 ·Генная терапия ·Преимплантационная диагностика 2020 ·Лекарства, разработанные на основе геномной информации ·Терапия рака ·Изменение способов диагностики и лечения психических заболеваний ·Генотерапия на уровне зародышевых клеток 2030 ·Рутинное секвенировоание генома отдельного индивида, менее 1000$ ·Клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека 2040 ·Зравоохранение на основе геномики ·Определение предрасположенности к большинству заболеваний (при или до рождения) ·Профилактическая медицина с учетом особенностей индивида ·Ранняя детекция болезней путем молекулярного мониторинга ·Замена лекарств продуктами генов

Спасибо за внимание!