Немцова М В Семинар 1 Наследственность и ее

Немцова М. В. Семинар 1 «Наследственность и ее молекулярные основы. Передача генетической информации в клетке. Современные понятия об устройстве генома. Реализация генетической информации. Современные понятия о гене. » Медицинская генетика Фармация Курс 3 ЦИОП «Медицина будущего»

Организация генетического материала в клетке Ядро клетки Хромосомы Хроматин Последовательности ДНК

ДНК первичная структура нуклеотид нуклеиновая кислота

ДНК вторичная структура Цепи ДНК антипараллельны l Цепи ДНК комплементарны l

ДНК вторичная структура

РНК 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 l

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

Репликация ДНК

Репликация ДНК l У эукариот репликация начинается с нескольких сайтов l Во время репликации образуется структура- «репликационная вилка»

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

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

l По одной 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, по отстающей цепи- прерывиста l Синтезируемая цепь комплементарна и антипараллельна своей матрице

Репликация в пробирке – ПЦР.

РНК 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 l

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

т. РНК

р. РНК

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

Белки Активаторы - белки, связывающиеся с энхансерами, которые помогают РНК-полимеразе правильно начать транскрипцию. Репрессоры - белки, которые связывают активаторы, чем снижают или прекращают транскрипцию. Транскрипционные факторы - помогают занять правильную позици активаторам и РНК- полимеразе. ДНК Промотер (TATA box )- часть промотора, являющаяся сайтом связывания для белковых факторов. Энхансеры (англ. to enhance – усиливать) – это участки ДНК в 10 -20 па оснований, способные значительно усиливать экспрессию генов. В отличие от промоторов они значительно удалены от транскрипционного участка и могут располагаться от него в любом направлении (к 5'-концу или к 3'-концу). Сами энхансеры не кодируют какие-либо белки, но способны связываться с регуляторными белками (подавляющими транскрипцию). Сайленсеры (англ. silence – молчание) – участки ДНК, в принципе схожие с энхансерами, но они способны замедлять транскрипцию генов, связываясь с регуляторными белками (которые ее активируют).

Этапы транскрипции l Инициация l Элонгация l Терминация

Инициация v Промотер – особая последовательность ДНК, определяющая начало транскрипции. v С промотором связываются факторы транскрипции и РНК -полимераза

Процессивность - это способность фермента осуществлять последовательность химических реакций, без высвобождения субстрата. Процессивность полимераз выражается как среднее количество нуклеотидов, присоединяемое ферментом за один акт связывания/диссоциации с матрицей ДНК.

Rho белок • 419 амк • гексамер • АТФаза • геликаза • Ро связывается со специальными сайтами на РНК: 40 н свободные от шпилек, Ц-богатые • Ро не связывается с транслируемым участками • Ро обычно осуществляет терминаци на конце генов • Ро движется к 3’ концу РНК, смеща с матричной цепи ДНК • Весь комплекс разваливается

Единица транскрипции = ген

Ген Один ген- один фермент l Один ген- одна полипептидная цепь l Один ген- одна м. РНК (один транскрипт) l Ген-участок ДНК или РНК ( у некоторых вирусов), ассоциированный с регуляторными последовательностями, который определяет линейную последовательность полипептидной цепи или одной молекулы РНК

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

Структура гена l Каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК, которые принимают участие в регулировании работы 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 Понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.

СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА Кодирующая часть ДНК – менее 10% Гены кодирующие белки – 2 % Гены кодирующие РНК – 20% Некодирующая ДНК – уникальные последовательности, фланкирующие структурные гены, повторяющиеся последовательности, транспозоны и ДНК, функция которой не идентифицирована, интроны Протеом человека составляет 250 000 белков Подготовлен список 923 генов, вызывающих моногенные наследственные заболевания или повышающих вероятность развития заболевания ДНК человека и шимпанзе идентичны на 99 %

У человека 26000 -30000 генов Средняя длина гена 27000 п. н. Такой усредненный ген содержит 9 экзонов, 8 интронов по 3400 п. н. Самые короткие гены содержат приблизительно 20 п. н. (гены эндорфинов) Самый большой ген – ген дистрофина – 2, 4 млн п. н. Получается, что в кодировании принимает участие менее 1, 5 % ДНК, т. е. 3 см из 2 м

Самые длинные гены человека Ген Размер гена (Мб) Размер м. РНК (Кб) Белок/функция CNTNAP 2 2. 30 9. 9 Белок Caspr 2 DMD 2, 22 14, 1 Дистрофин LRP 1 B 1, 90 16, 5 Семейство рецепторов липопротеинов CTNNA 3 1, 78 3, 0 альфа-Катенин 3 A 2 BP 1 1, 69 2, 3 Атаксин-2 связывающий белок FHIT 1, 50 1, 1 Динуклеозид трифосфат гидролаза GPC 5 1, 47 2, 9 Глипикан 5 DLG 2 1, 47 7, 7 Чапсин 110 GRID 2 1, 47 3, 0 Рецептор глутамата NRXN 3 1, 46 6, 1 Нейрексин 3

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

Этапы процессинга пре - м. РНК эукариот l Кэпирование - модификация 5’конца l Полиаденилирован ие - модификация 3’ -конца l Сплайсинг - удаление интронов и соединение экзонов

Процессинг Вначале к пре-м. РНК с 5'-конца с помощью нетипичной пирофосфатной связи к ней присоединяется модифицированный 7 -метилгуаниловый нуклеотид, это компонент "колпачка" ("шапочки") м. РНК. Этот колпачок необходим для того чтобы защитить нарождающуюся РНК от ферментов-экзонуклеаз, отщепляющих концевые нуклеотиды от РНК.

Модификация 5’-конца – кэпирование Кэп – это 7 -метил-гуанозин соединенный в 5’-5’-ориентации с первым нуклеотидом м. РНК l Кэп присоединяется с помощью фермента гуанозил-7 метилтрансферазы к первому 5’-трифосфату м. РНК сразу после транскрипции с помощью особой 5’ - 5’- связи l

Процессинг РНК Процесс созревания РНК после их синтеза на ДНК – матрице называется "процессингом". Он происходит в ядре клетки у эукариот. Составные части процессинга • Удаление нуклеотидов. Результат: значительное уменшение длины и массы исходной РНК. • Присоединение нуклеотидов. Результат: незначительное увеличение длины и массы исходной РНК. • Модификация (видоизменение) нуклеотидов. Результат: появление в составе РНК редких "экзотических" минорных ("меньших") нуклеотидов.

Модификация 3’-конца – полиаденилирование l Последовательность м-РНК ААУААА служит сигналом полиаденилирования l Специальная эндонуклеаза узнает эту последовательность и отрезает 10 -30 оснований от 3’-конца молекулы прем. РНК l Фермент поли(А)-полимераза добавляет 100 – 200 адениловых нуклеотидов к 3’концу м. РНК, образуя поли(A) «хвост»

Полиаденилирование После завершения синтеза пре-м. РНК к её конечному участку со стороны 3'-конца приращиваются адениловые нуклеотиды, так что получается полиадениловый «хвост» из примерно 200 -250 А-нуклеотидов

Сплайсинг l Гены имеют мозаичную структуру и состоят из кодирующих участков- экзонов и некодирующих участков- интронов. l Сплайсинг. Это вырезание некодирующих участков (интронных последовательностей) из прем. РНК и затем её сшивание. Вырезание осуществляется ферментами эндонуклеазами, а сшивание - лигазами. В результате получается м. РНК, состоящая только из экзонных последовательностей нуклеотидов. Все пре-м. РНК подвергаются сплайсингу, кроме гистоновых. l В среднем после процессинга в зрелой м. РНК остаётся только 13% от длины пре-м. РНК, а 87% теряется.

Последовательности интронов, необходимые для сплайсинга 5'- GU и 3'AG На границе экзон-интрон находятся последовательности GU – AG Для вырезания интронов также необходим сайт ветвления – А

Сплайсинг ядерной м. РНК происходит в сплайсосоме l Сплайсосома - специальная ядерная структура, в которой происходит сплайсинг l В состав сплайсосомы входят мя. РНК (U 1, U 2, U 4, U 5 и U 6) 145 молекул белков

Альтернативный сплайсинг l Соединение РНК участков кодирующих экзоны в разных комбинациях с образованием различных зрелых м. РНК l Способствует увеличению белкового разнообразия l Является одним их механизмов определяющих тканеспецифическую экспрессию генов

Р 1 Экзон 1 Интрон 1 Р 2 Экзон 2 Интрон 2 Экзон 3 Интрон 3 Экзон 4 1. Схема фрагмента гена, содержащего 2 промотора, 4 экзона и 3 интрона. Экзон 1 Экзон 3 Экзон 4 2. Фрагмент м. РНК после сплайсинга (выбор промотора Р 1) Экзон 2 Экзон 3 Экзон 4 3. Фрагмент м. РНК после сплайсинга (выбор промотора Р 2) Направление транскрипции -

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 Триплет нуклеотидов, который осуществляет соответствие между нуклеиновой кислотой и аминокислотой

Генетический код l Триплетный - одной аминокислоте соответствует три нуклеотида l Вырожденный - определенной аминокислоте соответствует более чем один кодон Не перекрывающийся один нуклеотид входит в состав только одного кодона l Число кодонов =64 Число аминокислот = 20 l Универсальный у всех живых организмов одинаковые АК кодируются одинаковыми кодонам

т. РНК

Трансляция l Биосинтез белка происходит на рибосомах

Инициация трансляции AUG - единственный инициирующий кодон эукариотических м. РНК l Инициаторная т. РНК , узнающая кодон инициации AUG, это специальная т. РНК , имеющая особенности строения, отличающие ее от т. РНК мет l Биосинтез белка начинается с образования комплекса между малой субединицей рибосом, инициирующей т. РНК и участком транслируемой м. РНК, содержащим сайт связывания рибосом, который включает в себя инициирующий (как правило, AUG) кодон l

Терминация трансляции у эукариот

l Геном человека 3. 2 биллионов пар нуклеотидов l 22 -25, 000 генов l 1. 5% кодирует белки l Клетки человека производят 100, 000 до 200, 000 различных белков.

Спасибо за внимание!