Молекулярная организация генома Геном – совокупность всей

Молекулярная организация генома

Геном – совокупность всей ДНК организма (ДНК ядра + ДНК органелл)

Определены нуклеотидные последовательности у >150 видов микробов, >30 видов эукариот (дрожжи, нематода, дрозофила, человек, арабидопсис и др. ). Определено 160 животных митохондриальных геномов

1. С усложнением организации размер генома как правило возрастает

бактериофаг Т 4 – 174 kb Hemophilus influenzae – 1 830 kb дрозофила – 120 000 kb собака – 2 400 000 kb человек – 3 200 000

2. Количество генов не является основным показателем сложности организации

Количество генов: рыба-собака (Fugu rubripes) – 33, 609: Science (2002) 297: 1301

мышь (Mus musculus) - 29, 201: Nature (2002) 420: 520.

человек - 26, 588: Science (2001) 291: 1305

Вирусные геномы

Представлены: – Однoцепочечная (РНК или ДНК) - Двуцепочечная (ДНК) – Линейная или кольцевая форма Компактный геном с небольшим количеством межгенных областей в ДНК

Папилломавирусы – Широко распространены у высших позвоночных – Имеют тропизм к сквамозному эпителию – Связываются с наличием бородавок и папиллом – Кольцевой геном ~8 kb

Организация генома Сходна у всех папилломавирусов Трунскрибируется только одна цепочка – “Ранние” гены E 1 -E 7 (воспроизведение ДНК, реализация программы вируса)

Геном человеческого папилломавируса

Геном бактерий

Размер геномов от 500 kb to 30, 000 kb E. coli - 4600 kb, ~ 4300 генов Обычно двуцепочечная кольцевая ДНК Иногда линейная ДНК (Streptomyces)

Типичная бактерия 2 mm Нуклеоид Рибосомы Капсула Клеточная стенка Жгутик мембрана

Размеры бактерий увеличение 14, 000 раз Бациллы на краю иголки

Физическая длина генома E. coli – 1. 6 мм Размер клетки – около 2 мкм Длина ДНК примерно в 1000 больше, чем длина клетки Суперскручивание ДНК (выполняет фермент ДНКгираза).

Релаксированная Суперскрученная

Изменения морфологии ДНК у микоплазм

Ядерный геном эукариот

Функции ДНК • У прокариот почти вся ДНК транскрибируется • У эукариот функции ~ 98% всей ДНК не ясны

Геном человека имеет в 10 000 больше ДНК с неясной функцией, чем средний геном прокариот

Некодирующая ДНК

Эукариотические ядерные геномы Каждый вид имеет характерное число хромосом ДНК представлена в виде в сложноорганизованных хромосом

Каждая хромосома человека содержит в среднем 2 x 108 н. п. Длина каждой молекулы ДНК составляет ~ 6 см, в 1000 > диаметра клетки Все 46 хромосом расположены в ядре Многоуровневая система упаковки ДНК

Гистоновые белки • Отвечают за первый уровень упаковки ДНК – Их позитивно заряженные аминокислоты связываются с отрицательно заряженной ДНК, образуя нуклеосому – Гистоновые белки покидают ДНК только во время репликации.

Гистоны состоят из 100 - 200 аминокислот Высоко консервативны – сходны у самых разных организмов

Гистон H 1 вовлечен в образование хроматиновой нити. Связывает ДНК с поверхностью нуклеосомы и помогает конденсировать хроматин

Центромера и теломеры Центромера – место соеднинени я хроматид Теломеры важны для стабильност и хромосом

• Интерфазный хроматин менее конденсирован, чем во время митоза • Интерфазные хромосомы имеет области, которые остаются высоко конденсированными, гетерохроматин, и области с меньшей компактизацией эухроматин

• Гетерохроматин - темноокрашенный • Эухроматин - светлоокрашенный • Около центромеры – конститутивный гетерохроматин Fig. 12. 13

Структура гена

Гены прокариот

Оперонная организация генов lac - оперон Промотор P O транскрипция Lac. Z Lac. Y b-галактозидаза Lac. A Трансацетилаза лактозопермеаза

Оперонная организация генов Гены, участвующие в одном биохимическом цикле, располагаются по соседству друг с другом

Перекрывание генов у прокариот Ген 1 Ген 3 Ген 2

Гены эукариот

Гибридизация между зрелой м. РНК и ДНК показала сложное строение генов

Модель эукариотического гена Экзон Интрон Экзон Число экзонов = число интронов + 1 Brown Fig 1. 17 BIOS Scientific Publishers Ltd, 1999

Некоторые гены у человека продукт Длина экзона Н. п. Число Интронов Н. п. Длина интрона Н. п. Аденозин диаминаза 1500 11 30, 000 14, 000 28 29, 000 Эритропоэтин 582 4 1562 тироглобулин 8500 40 100, 000 a-интерферон 600 0 0 аполипопротеин B

Характеристика генов человека Число экзонов 8, 8 Размер экзона 145 н. п. Размер интрона 3 365 н. п. Размер кодирующей части 1 340 н. п. Общий размер гена 27 000 н. п.

Сравнение генных структур Человек Дрожжи Дрозофила Кукуруза Кишечная палочка

Перекрывание генов у эукариот Overlapping genes in vertebrate genomes Izabela Makalowska, Chiao-Feng Lin, Wojciech Makalowski Computational Biology and Chemistry 29 (2005) 1– 12

Перекрывание генов у эукариот

Перекрывание генов у эукариот Синтез разных транскриптов с одной цепочки ДНК Красный цвет: Синий цвет: Кодирующая Нетранслируемая область

Двунаправленный промотор Перекрывание в «хвосте» Перекрывание в «голове»

База данных перекрывающихся генов http: //posnania. cbio. psu. edu/research/ overlapping_genes. html

Геномы органелл

Наследование пестролистности происходит по материнской линии. Признак обусловлен присутствием мутантных пластид, лишенных хлорофилла

Фенотип матери (♀) Фенотип отца (♂) Фенотип потомков Белый Зеленый Белый Variegated Пестролистный Белый Зеленый Зеленый Пестролистный, Зеленый

Мутация в мт. ДНК матери приводит к наследственным нейродегенеративным заболеваниям • Наследственная оптическая нейропатия Лебера (дегенерация оптического нерва и слепота) • Замена в мт. ДНК в нуклеотиде 11, 778

Размер и функции митохондриальных генов

• 16. 5 kb в длину мт. ДНК человека несет тесно • 37 генов: упакованные гены – 13 кодируют полипептидные субъединицы для аппарата окислительного фосфорилирования – 22 гена т. РНК – 2 гена большой и малой р. РНК

мт. ДНК дрожжей имеет интроны • В 4 раза > человеческой мт. ДНК (75 kb) – Гены разделены межгенными последовательностями – Интроны составляют 25%

мт. ДНК печеночника (маршанции) несет генов больше, чем у животных • 12 генов электронтранспортных белков • 16 генов рибосомных белков • 20 генов с неясной функцией

Генетический код митохондрий

мт. ДНК человека: мт. ДНК матери передается от матери к дочери и т. д. Митохондрии отца гибнут во время оплодотворения яйцеклетки

John Tierney Newsweek 111 (Jan. 11, 1988): 46 -52. Ева – 10 000– пра-бабушка

Y-хромосомный Адам жил около 60 000 — 90 000 лет назад