Молекулярные основы наследственности Трансформация ДНК

Молекулярные основы наследственности

Трансформация

ДНК l Макромолекула l Полимер l Звено полимера - нуклеотид

ДНК первичная структура нуклеозид нуклеотид нуклеиновая кислота

ДНК вторичная структура l Цепи ДНК антипараллельны

ДНК третичная структура

Перенос информации Основные варианты l ДНК-ДНК l ДНК-РНК l РНК-белок Возможные варианты l РНК-ДНК l РНК-РНК

Репликация ДНК

Репликация ДНК l Репликация кольцевых молекул l -Репликация по типу «катящегося обруча» l -Тетта- репликация l Репликация линейных молекул

Репликация ДНК

Репликация ДНК

Репликация ДНК

Белки репликации ДНК l Хеликаза и топоизомераза l Связывающие белки l Праймаза l ДНК-полимеразы (в клетках эукариот около 13 типов) l Лигаза

l Хеликаза связывается с ориджином репликации и разделяет цепи l Связывающие белки предохраняют цепи ДНК от слипания l Праймаза синтезирует короткую РНК на ДНК- матрице

l ДНК –полимераза добавляет нуклеотиды к РНК-праймеру l ДНК-полимераза проверяет правильность присоединения нуклеотидов

l Поодной из цепей синтез идет непрерывно, по другой – прерывисто ( фрагменты Оказаки)

РНК -праймеры удаляются, лигаза сшивает бреши в ДНК

Репликация ДНК l Всегда полуконсервативна l Начинается с области, которая называется ориджин l Синтез ДНК инициируется фрагментами РНК, которые называются праймерами l Элонгация всегда проходит в направлении 5’- 3’. l Репликация по лидирующей цепи непрерывна, l по отстающей цепи- прерывиста l Синтезируемая цепь комплементарна и антипараллельна своей матрице

Репарация ДНК Прямая репарация (структура поврежденного нуклеотида восстанавливается без его вырезания) Пример – удаление сшивок между тиминовыми димерами Эксцизионная репарация Репарация с удалением поврежденных оснований - удаление одного нуклеотида - удаление фрагмента ДНК Пример – мисмэтч репарация

Компоненты системы репарации l фермент, "узнающий" химически измененные фермент участки в цепи ДНК и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения (например урацил-гликозилаза) l фермент, удаляющий поврежденный участок (например эндонуклеаза) l фермент(ДНК-полимераза), синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого l фермент (ДНК-лигаза), замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность

Клинические примеры нарушений репарации

Наследственные болезни, обусловленные нарушениями работы репарационных механизмов ДНК 1. Пигментная ксеродерма 2. Синдром Блума 3. Атаксия-телеангиэктазия или синдром Луи-Бар 4. Трихотиодистрофия 5. Анемия Фанкони 6. Синдром Хатчинсона-Гилфорда 7. Синдром Вернера

Атаксия-телеангиэктазия (синдром Луи-Бар) • Тип наследования – аутосомно - рецессивный • ген картирован на хромосоме 14. • В основе лежит дефекты репаративного синтеза ДНК • Дебют заболевания –ранний возраст. Мозжечковая атаксия. Телеангиэктазии конъюнктивы глаз, кожи лица и шеи. Различные формы иммунодефицита ( дисгаммаглобулинемия Предрасположенность к онкологическим заболеваниям

Синдром Блума • Тип наследования – аутосомно-рецессивный • Ген BLM (Bloom-mutated) Мутантный белок сходен с Rec. Q-геликазой E. coli • замедленная репликация ДНК и подавленный репаративный синтез • Дебют заболевания с рождения. Гипофизарная карликовость. Повышенная чувствительность кожи к ультрафиолету солнечных лучей. На коже – множественные телеангиэктазии , эритема на лице (в виде "бабочки"), ушных раковинах, тыле кистей, участки кератоза и гиперпигментации на туловище. Задержка интеллектуального развития. Иммунодефицит. Предрасположенность к онкологическим заболеваниям

Пигментная ксеродерма • Тип наследования – аутосомно-рецессивный • Нарушена эксцизионная репарация (мутации разных генов) • Дебют заболевания от 6 месяцев до 3 -х лет, иногда позже Основные стадии заболевания: I стадия – начальная : светобоязнь, стойкая эритема, уплотнение и шелушение кожи, телеангиэктазии II стадия – прогрессирующая: атрофия, гиперпигментация, гиперкератоз кожи, помутнение роговицы, гиперпигментация радужной оболочки, атрофия края зрачка, неврологические нарушения III стадия - терминальная : новообразования кожи, как доброкачественные (ангиомы, папилломы, кератомы, фибромы, трихоэпителиомы, кератоакантомы и пр. ), так и злокачественной саркомы, меланомы и др, метастазирования.

Задание l Как происходит репликация концевых участков ДНК l Что такое теломераза. l Заболевания, связанные с нарушением работы теломеразы

Транскрипция l Синтез РНК молекул на матрице ДНК l Первый этап передачи генетической информации на пути от ДНК к белку (от генотипа к фенотипу)

РНК l РНК- полимер, состоящий из нуклеотидов , соединенных фосфодиэфирными связями l РНК отличается от ДНК по составу: - -содержит рибозу вместо дезоксирибозы, - - содержит урацил вместо тимина l Обычно это одноцепочечная молекула l Существуют различные классы РНК

Основные классы РНК l т. РНК ( транспортная РНК) l р. РНК (рибосомная РНК) l м. РНК (матричная РНК)

т. РНК

р. РНК

Этапы транскрипции l Инициация l Элонгация l Терминация

Инициация

Элонгация

Терминация

Единица транскрипции

Процессинг м. РНК l Метилирование и кэпирование l Полиаденилирование l Сплайсинг

Полиаденилирование

Сплайсинг l Гены имеют мозаичную структуру и состоят из кодирующих участков- экзонов и некодирующих участков- интронов. l При сплайсинге участки пре- м. РНК , соответсвующие интронам вырезаются, а синтезированные с экзонов сшиваются (сплайсинг).

Альтернативный сплайсинг l Соединение РНК участков кодирующих экзоны в разных комбинациях с образованием различных зрелых м. РНК

Альтернативный сплайсинг

Трансляция l Передача генетической информации с м. РНК на белок l Заключительный этап передачи генетической информации на пути от ДНК к белку (от генотипа к фенотипу)

Белки и аминокислоты l Все белки состоят из аминокислот l 20 основных аминокислот в белках

Генетический код l Соответствие между нуклеиновой кислотой и аминокислотой

Генетический код l Триплетный, те одной аминокислоте соответствует три нуклеотида l Вырожденный, те определенной Число аминокислоте кодонов =64 соответствует более чем Число аминокислот один кодон = 20 l Не перекрывающийся l Универсальный

т. РНК

Трансляция l Биосинтез белка происходит на рибосомах

Инициация трансляции l AUG - единственный инициирующий кодон природных эукариотических м. РНК l В качестве инициаторной т. РНК , узнающей кодон инициации AUG, служит специальная т. РНКf , имеющая особенности строения, отличающие ее от т. РНК мет l в инициации принимают участие по меньшей мере 11 белковых факторов l Биосинтез белка начинается с образования комплекса между малой 30 S субчастицей рибосом, иниц. т. РНК и участком транслируемой м. РНК, содержащим сайт связывания рибосом, который включает в себя инициирующий (как правило, AUG) кодон

Элонгация трансляции

Терминация трансляции

Ген l Один ген- один фермент l Один ген- одна полипептидная цепь l Один ген- одна м. РНК Ген-участок ДНК или РНК ( у некоторых вирусов), определяющий линейную последовательность полипептидной цепи или одной молекулы РНК

Ген (эукариоты) l Первый и последний экзоны содержат не транслируемую последовательности ( соответственно 5’ -UTR) l и 3’-UTR) l Кодирующие участки- экзоны l Не кодирующие участки - интроны

Структура гена l Каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК , которые принимают участие в регулировании проявлений гена. l Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от гена, ( промоторы ) так и на расстоянии многих миллионов пар оснований, ( энхансеры и супрессоры) l Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.

Регуляция активности генов

Уровни регуляции активности генов l На уровне транскрипции l На уровне РНК (процессинг РНК, стабильность м. РНК, РНК- интерференция) l На уровне трансляции

Гены l Структурные гены кодируют белки, необходимые для катаболизма или биосинтеза или играют роль структурных белков l ( например ферменты и белки экстраклеточного матрикса). l Регуляторные гены – гены чьи продукты являются как РНК так и белками, которые взаимодействуют с другими последовательностями и влияют на транскрипцию или трансляцию. В большинстве случаев продуктами регуляторных генов являются ДНК- связывающие белки.

Регуляторные элементы l Также в геноме существует большое число последовательностей, которые не транскрибируются, но которые необходимы для регуляции других последовательностей – регуляторные элементы. l Эти элементы в большинстве случаев являются местами взаимодействия с регуляторными белками, кодируемыми регуляторными генами

ДНК-связывающие белки l Эти белки как правило имеют определенные функциональные участки, которые называют доменами состоящими из 60 -90 аминокислот, которые ответственны за связывание с ДНК. Внутри домена только несколько аминокислот контактирую щих с ДНК. Эти аминоксилоты (аргинин, лизин, спарагин ) формируют водородные связи с основаниями в ДНК или взаимодействуют с остатком сахара. l Другие домены этих белков могут взаимодействовать с другими молекулами и другими регуляторными белками. В зависимости от особенностей структуры ДНК- связующего домена (его внутреннего мотива ) регуляторные белки разделяют на различные группы (ц инковые пальцы , с тероидны рецептор, лейциновая застежка-молния и тд. ).

Аутоиммунный полиграндулярный синдром 1 типа • Тип наследования- аутосомно-рецессивный тип • Мутантный ген AIRE, регулирующий аутоиммунитет картирован на хромосоме 21 q 22. 3. • Дебют заболевания –детский возраст • Гипопаратиреоз • Гипертиреоз • Первичная хроническая надпочечниковая недостаточность и первичный гипогонадизм • Инсулинзависимый сахарный диабет • Кандидоз кожи и слизистых, витилиго • Аутоиммунный гепатит • Гнездная алопеция

Белок AIRE

Белок AIRE (аутоиммуный регулятор) l Аутоиммунный регулятор связывается с ДНК- последовательностями и регулирует экспрессию генов , необходимых для обучения Т-клеток тимуса (элиминирование аутореактивных Т-клеток) l При мутациях в этом гене, контроль нарушается и возникают множественные аутоиммунные нарушения в эндокринной системе, печени, ЖКТ.

Оперон

Оперон l Функционально-связанныеструктурные гены, расположенные в виде кластера l Промотор для структурных генов l Оператор– область ДНК, с которой связывается продукт регуляторного гена

Модель оперона генетического контроля метаболизма лактозы

Модель оперона генетического контроля метаболизма лактозы