Материальные и цитологические основы наследственности

Материальные и цитологические основы наследственности

• Носитель наследственной информации является клетка. Ядро в ней основной носитель наследственной информации. • Оно м/б округлой, бобовидной, четковидной формы.

• Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)– это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями.

• Нуклеотиды- органические вещества, молекулы которых состоят из остатка пентозы, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание.

Функции ДНК • 1. ДНК является носителем генетической информации. Функция обеспечивается фактом существования генетического кода. • 2. Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов. Функция обеспечивается процессом репликации. • 3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов. Функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.

ДНК РНК Сахар Дезоксирибоза Рибоза Азотистые основания А, Т, Г, Ц А, У, Г, Ц Количество цепей в молекуле 99. 99% двойная спираль 99. 99% 0. 01% одноцепочечная 0. 01% двухцепочечная Форма молекулы Все одноцепочечныекольцевые. Большинство двухцепочечных линейные, частькольцевые. Линейные молекулы

Принципы строения д. НК • 1. Нерегулярность. Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно. • 2. Антипараллельность. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3`-конец одной расположен напротив 5`-конца другой. • 3. Комплементарность (дополнительность). Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание другой цепи. Соответствие задается химией. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре A-Т две водородные связи, в паре Г-Ц - три. • 4. Наличие регулярной вторичной структуры. Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью.

Азотистые (Пуриновые и пиримидиновые) основания

Строение нуклеотида

Формы двойной спирали д. НК д

ДНК Хромосомная • Хромосомы (эукариоты) • Нуклеоид (прокариоты) Экстрахромосомная • ДНК клеточных органоидов (эукариоты) • Плазмиды (прокариоты)

Уровни компактизации ДНК (эукариоты) 1. Нуклеосомный (диаметр нуклеосомной нити 11 нм) 2. Нуклеомерный (диаметр нуклеомерной фибриллы 30 нм) 3. Петельный (диаметр 200 -300 нм) 4. Метафазная хромосома (диаметр 600 -700 нм)

Уровни компактизации ДНК Нуклеосомная нить Нуклеомерная фибрилла Петли (домены) Метафазная хромосома

Нуклеосомы и гистоны

Нуклеосома Нуклеосомный кор (Н 2 А, Н 2 В, Н 3, Н 4)× 2 ДНК (146 п. н. )

Нуклеосомная нить

Нуклеомерная фибрилла

Метафазная хромосома плечи центромера

Хромосомы (эукариоты) Хромосомы образованы хроматином. Хроматин ДНК Белки Структурные Гистоновые • Н 2 А • Н 2 В • Н 1 • Н 3 • Н 4 Функциональные Негистоновые

Строение хромосомы • • Состоит из двух хроматид, соединенных Центромерой Теломеры на концах хромосом. Хромонема состоит из молекулы ДНК, РНК, низкомолекулярного белка – гистона, липидов, ферментов (например ДНК полимераза), кальция, магния, железа.

Хроматин эухроматин Деспирализованные участки хромосом, содержащие активно экспрессирующиеся гены конститутивный Присутствует в течение всего клеточного цикла гетерохроматин Конденсированный, транскрипционно неактивный хроматин факультативный Способен переходить в эухроматин

• Некоторые хромосомы во время клеточного деления выглядят конденсированными и интенсивно окрашенными. Такие различия были названы гетеропикнозом. Для обозначения районов хромосом, демонстрирующих положительный гетеропикноз на всех стадиях митотического цикла был предложен термин «гетерохроматин» . Различают эухроматин — основную часть митотических хромосом, которая претерпевает обычный цикл компактизации декомпактизации во время митоза, и гетерохроматин — участки хромосом, постоянно находящиеся в компактном состоянии.

• У большинства видов эукариот хромосомы содержат как эу , так и гетерохроматиновые участки, причем последние составляют значительную часть генома. Гетерохроматин располагается в прицентромерных, иногда в прителомерных областях. Обнаружены гетерохроматиновые участки в эухроматиновых плечах хромосом. Они выглядят как вкрапления (интеркаляции) гетерохроматина в эухроматин. Такой гетерохроматин называют интеркалярным.

• Компактизация хроматина. Эухроматин и гетерохроматин различаются по циклам компактизации. Эухр. проходит полный цикл компактизации декомпактизации от интерфазы до интерфазы, гетеро. сохраняет состояние относительной компактности. Дифференциальная окрашиваемость. Разные участки гетерохроматина окрашиваются разными красителями, некоторые районы — каким то одним, другие — несколькими. Применяя различные красители и используя хромосомные перестройки, разры вающие гетерохроматиновые районы, у дрозофилы удалось охарактеризовать много небольших районов, где сродство к окраскам отлично от соседних участках.

Денверская классификация хромосом

Парижская классификация хромосом

• Генетическая карта хромосомы 1 человека • Отдельные гены локализованы и определенных сегментах хромосомы: 1 — гены группы крови Сцианна, группы крови Do, ген фосфопируватгидратазы; 2 — гены фосфоглюконат дегидрогеназы, эритроцитарной группы кропи резус (Rh), аденилаткиназы локус 2; 3 — ген фосфоглюкомутазы локус 1; 4 — гены уридин монофосфаткиназы, эллиптоцитоза I, α амилазы слюны, α амилазы панкреатической, группы кропи Даффи и др. ; 5 — глюкозо 1 фосфатуридилтрансферазы, катаракты; 6 — ген пептидазы С; 7 — гены 5 S РНК; 8 — ген фумаратгидратазы; 9 — гены гуанилаткиназы, α фукозидазы, место для аденовируса 12

Схема морфологии метацентрических (а), субметацентрических (б), акроцентрических (телоцентрических) (в) и спутничных (ядрышковых) (г) хромосом Т — теломеры; Ц — центромеры (первичные перетяжки); ЯОР — ядрышковый организатор (вторичная перетяжка)

Хромосомы разных видов животных (Мюнцинг, 1963) а — речной рак (2 n=196); б — комар Culex (2 n=6); в — щука (2 n=18); г — курица; д — кошка (2 n=38); е — лошадь (2 n=66); ж — бык (2 n=60); з — саламандра (2 n=34); и — овца (2 n=54)

Один и тот же участок политенной хромосомы Chironomus tentans в ядрах слюнной железы (а), мальпигиева сосуда (б), прямой (в) и средней (г) кишки

Схема строения политенной хромосомы (А) и ее участков (Б) а — нить интерфазной хромосомы с участками конденсированного хроматина; б —две нити после редупликации; в — восемь сближенных нитей в результате трехкратной редупликации хромосом; 1 — диски; 2 — междисковые участки; 3 — пуф, образовавшийся за счет деконденсации хроматина диска

Набор политенных хромосом из гигантских клеток слюнных желез дрозофилы (а) в сравнении с размером митотических хромосом в делящихся клетках

Центромеры

Теломеры и центромеры

Хромосомы

Хромосомы с теломерой

Хромосомы человека

Эух и гетерохроматин

• Ставшая классической работа Бриттена и Кона (Britten, Kohne, 1968) по кинетике ренатурации ДНК показала, что геномы высших эукариот можно грубо разделить на четыре фракции: самокомплементарная ДНК (foldback DNA), высоко повторенная ДНК (highly repetitive DNA), умеренно повторенная ДНК (middle repetitive DNA) и уникальные последовательности (single copy DNA).

• Самокомплементарная ДНК состоит из палиндромных последовательностей, способных образовывать двуцепочечные шпильки, "замыкаясь" сами на себя. • Фракция высоких повторов состоит из коротких последовательностей длиной от нескольких нуклеотидов до нескольких сотен н. п. , которые имеют около 500, 000 копий. • В умеренные повторы входят более длинные последовательности от сотен до тысяч н. п. , имеющие до 100 копий на геном.

Повторяющиеся последовательности ДНК 1. • • • 2. • • 3. • • Классификация по количеству копий: Низкокопийные повторы (несколько десятков копий) Среднекопийные (умеренные) повторы (до тысячи копий) Высококопийные повторы (более тысячи копий) Классификация по расположению в геноме: Диспергированные повторы (SINE, LINE) Тандемно расположенные повторы (микросателлитная, минисателлитная ДНК) Классификация по направлению повторов: Прямые повторы Инвертированные повторы

Значение мобильных генетических элементов 1. Являются биологическими мутагенами. 2. Изменяют активность близлежащих генов, т. к. могут содержать энхансерные и инсуляторные последовательности. 3. Могут вызывать хромосомные перестройки в результате неравного кроссинговера между одинаковыми МГЭ. 4. У дрозофил ретротранспозоны участвуют в формировании теломер.

Мобильные генетические элементы (МГЭ) МГЭ – фрагменты ДНК, способные перемещаться в пределах одной хромосомы или между хромосомами. МГЭ прокариот IS-элементы Транспозоны Простые Сложные

1. 2. 3. 4. 5. 6. IS элементы (Insertion Sequence, IS последовательности, инсерционные последовательности, вставленные последовательности) Размеры от 700 до 1500 п. н. На концах находятся инвертированные повторы (IR), длиной 22 -41 п. н. Содержат только гены, необходимые для транспозиции по геному (ген транспозазы). IS-элемент реплицируется, затем его копия встраивается в новый сайт. Неспособны к автономной репликации. IS элементы содержат информацию, необходимую только для их переноса внутри клетки (для транспозиции), никаких выявляемых признаков в них не закодировано.

Сложные транспозоны 1. Размеры от 2000 до 10 000 п. н. 2. На концах находятся IS-элементы. 3. Между IS-элементами находятся дополнительные структурные гены (гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам, гены, кодирующие токсины и др. )

Простые транспозоны 1. Размеры до 5000 п. н. 2. На концах находятся инвертированные повторы (IR) 3. Между инвертированными повторами располагаются гены, обеспечивающие транспозицию, и дополнительные структурные гены.

Мобильные генетические элементы прокариот

Мобильные генетические элементы эукариот 1. ДНК-транспозоны (контролирующие элементы кукурузы, Р-элементы дрозофилы и др. ) содержат концевые инвертированные повторы. Перемещаются по принципу «вырезание - встраивание» . 2. Полинтоны - последовательности ДНК длиной 1520 тыс. п. н. , кодирующие более 10 белков, в т. ч. ДНКполимеразу В, использующую в качестве праймера белок. Содержат концевые инвертированные повторы (несколько сот пар нуклеотидов). Перемещаются по принципу «копирование встраивание» .

Мобильные генетические элементы эукариот 3. Хелитроны – последовательности ДНК. Не содержат концевых инвертированных повторов. Перемещаются по принципу «копирование -встраивание» . Репликация осуществляется по механизму «катящегося кольца» . 4. Ретротранспозоны сходны с ретровирусами, но не способны инфицировать клетки. Перемещение основано на обратной транскрипции. Подразделяются на 2 группы: • Ретротранспозоны с LTR (длинными концевыми повторами) • Ретротранспозоны без LTR (L 1, Alu последовательности у человека).

• Элементарной единицей наследственности является ген. Термин «ген» был предложен в 1909 г. В. Иогансеном для обозначения материальной единицы наследственности, выделенной Г. Менделем. После работ американских генетиков Дж. Бидла и Э. Тейтума геном стали называть участок молекулы ДНК, кодирующий синтез одного белка. Согласно современным представлениям, ген рассматривается как участок молекулы ДНК, характеризующийся специфической последовательностью нуклеотидов, определяющих аминокислотную последовательность полипептидной цепи какого либо белка или нуклеотидную последовательность функционирующей молекулы РНК (т. РНК, р. РНК).

Примерное распределение генов человека по их функциям. 1 – производство клеточных материалов; 2 – производство энергии и ее использование; 3 – коммуникации внутри и вне клеток; 4 – защита клеток от инфекций и повреждений; 5 – клеточные структуры и движение; 6 – воспроизводство клеток; 7 – функции не выяснены

Организация генома человека Признаки Организация Количество генов Ок. 30 тысяч Количество ДНК 3 -7 млрд. пар нуклеотидов Информативные последовательности ДНК Менее 20% Структурные гены Состоят из интронов и экзонов промоторы Служат для связывания с ферментом РНК - полимеразой терминаторы Служат для прекращения синтеза РНК и освобождение от матрицы ДНК Гены регуляторы Регулируют работу других генов Гены интеграторы Координируют работу других генов Гены модуляторы Сайленсеры –тормозят транскрипцию, Энхансеры – усиливают её

Организация генома человека Неинформативные последовательности ДНК спесейры Разделяют структурные гены Саттелитная ДНК Ок. 30%. Поддерживает индивидуальную структуру хромосом, участвует в формировании центромер, теломер, может содержать мобильные элементы

Особенности ядерного генома человека 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Размер генома 3× 109 п. н. 30 000 генов Молекулы ДНК линейные Молекулы ДНК полирепликонные (количество ori-сайтов зависит от длины молекулы) Опероны отсутствуют Мозаичная (интронно-экзонная) структура генов Большее (по сравнению с прокариотами) количество регуляторных элементов Наличие мультигенных семейств (сходных по строению или связанные функционально) и псевдогенов (похожи на структурные, но не функциональные из-за мутаций) Наличие уникальных и повторяющихся последовательностей.

Митохондриальная ДНК человека 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Кольцевая суперспирализованная двухцепочечная молекула ДНК. Длина молекулы ДНК – 16 569 п. н. 37 генов: 2 гена р. РНК, 13 генов, кодирующих белки, 22 гена т. РНК. Есть перекрывающиеся гены 1 ori-сайт (монорепликонная молекула ДНК) Комплементарные цепи различаются по удельной плотности. Одна цепь – тяжелая (содержит много пуринов), другая – легкая (содержит много пиримидинов). 2 промотора (группа нуклеотидн. Послед. Для узнавания РНК полимеразы) (по одному на каждой цепи) Синтезируются полицистронные РНК (кодирует инф. Более чем об одном белке, входящ. в состав одного оперона - генов тесно связанных друг с другом)

Митохондриальная ДНК человека Процессинг РНК: • Разрезание полицистронной РНК • Полиаденилирование 3’-концов м. РНК • Редактирование РНК (модификация или замена нуклеотидов) КЭПирования нет. Сплайсинга нет (в митохондриальных генах человека интроны отсутствуют). 10. ДНК не метилируется. 11. Митохондриальная ДНК наследуется по материнскому типу 12. Есть отклонения от универсального генетического кода: • Кодон АУА кодирует метионин (вместо изолейцина) • Кодон УГА кодирует триптофан (вместо стоп-кодона) • Кодоны АГА и АГГ являются стоп-кодонами (в универсальном коде кодируют аргинин ) 9.

Митохондриальная ДНК Цитохром b 12 S р. РНК 16 S р. РНК Ori Субъединицы NADH дегидрогеназы Субъединицы цитохромоксидазы Субъединицы NAD дегидрогеназы т. РНК Субъединица цитохромоксидазы АТФ синтетаза

Основные принципы регуляции активности генов у эукариот • В регуляции экспрессии эукариотических генов важную роль играют гены энхансеры (усиливают транскрипцию) и гены сайленсеры (тормозят транскрипцию). • В регуляции транскрипции участвуют гормоны, а в регуляции генной активности – гистоны хромосом. • Регуляция экспрессии генов осуществляется на всех этапах реализации наследственной информации.

Основные принципы регуляции активности генов у эукариот У эукариот отсутствует оперонная регуляция работы генов, так как гены, определяющие синтез ферментов одной цепи биохимических реакций, могут быть рассеяны в геноме и не имеют (в отличие от прокариот) единой регулирующей системы. • Регуляция транскрипции генов у эукариот комбинационная, т. е. активность каждого гена регулируется большим числом генов регуляторов. • У многих эукариотических генов в ДНК имеется несколько зон, узнаваемых разными белками

Нуклеоид (прокариоты) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Это двухцепочечная кольцевая суперспирализованная молекула ДНК Размер генома 3 - 5× 106 п. н. ДНК находится в комплексе с функциональными и, возможно, структурными (гистоноподобными) белками. Молекула ДНК монорепликонная (1 ori-сайт). В области ori-сайта нуклеоид прикреплен к цитоплазматической мембране. Кодирующие последовательности ДНК составляют 70% генома, 30% - межгенные промежутки и регуляторные области. Около 4 000 генов Характерна оперонная структура. Интроны отсутствуют.

Бактериальный нуклеоид на срезе клетки Propionibacterium shermanii 1 — нуклеоид; 2 — плазматическая мембрана; 3 — рибосомы

Нуклеоид (E. coli)

Плазмиды – это небольшие кольцевые (иногда линейные) экстрахромосомные молекулы ДНК, способные к автономной репликации. Размеры плазмид варьируют от 2 000 до 200 000 п. н. Плазмиды, способные существовать в двух состояниях – автономном и интегрированном в нуклеоид, называют эписомами.

Классификация плазмид 1. • • 2. • • 3. • • 4. 5. Классификация , базирующаяся на структуре ДНК: Кольцевые Линейные Классификация, базирующаяся на маркерных генах плазмид: R-плазмиды (факторы резистентности к антибиотикам) Col-плазмиды (факторы колициногенности) Tox-плазмиды (обеспечивают синтез энтеротоксинов) Криптические плазмиды (не содержат маркерных генов) Классификация, базирующаяся на способности плазмид к горизонтальному переносу: Трансмиссивные (конъюгативные) Нетрансмиссивные (неконъюгативные) Классификация, базирующаяся на совместимости плазмид Классификация, базирующаяся на копийности плазмид

Плазмиды под электронным микроскопом

Геном вирусов Вирусы ДНК содержащие РНК содержащие • 1 цепочечная линейная ДНК (парвовирусы) • 2 цепочечная линейная РНК (реовирусы) • 1 цепочечная кольцевая ДНК (бактериофаг М 13) • 1 цепочечная линейная РНК • 2 цепочечная линейная ДНК (аденовирусы, герпесвирусы) • 2 цепочечная кольцевая ДНК (папилломавирус) • 2 цепочечная кольцевая ДНК с одноцепочечными участками (вирус гепатита В) « » цепь РНК (вирусы гриппа, кори, паротита) «+» цепь РНК (вирусы бешенства, полиомиелита, клещевого энцефалита, ретровирусы, в том числе ВИЧ)

Геном вирусов • Размеры от 2 000 до 280 000 нуклеотидов или пар нуклеотидов; • Возможно перекрывание генов, в том числе явление «ген в гене» ; • Интрон-экзонная структура генов (у вирусов эукариот).

Яйцеклетка в момент оплодотворения

Fig. 9. 3. An electron micrograph of DNA being transcribed into RNA. The DNA is the thin strand running through the center of each region with the shape of a feather. The strands leading off the DNA are RNA molecules; the longest ones are nearing completion and the shortest ones have just been started. These are ribosomal RNA molecules that are incorporated into the structure of ribosomes.