Основы молекулярной генетики 1 Эволюция понятия –

Основы молекулярной генетики 1

Эволюция понятия – «ген» n Ген – единица наследственности, определяющая развитие какого-либо признака организма (1909) n Ген – неделимая единица мутации, рекомбинации и функции (середина 20 -х годов ХХ века) n 50 -е годы ХХ века – сформировано важнейшее положение биохимической генетики «Один ген – один фермент» n 1957 год – гипотеза «Один ген – один фермент» уточнена – «Один ген одна полипептидная цепь» 2

Эволюция понятия – «ген» Современное представление о структуре гена, его функционировании, регуляции его активности складывалось во 2 -й половине XX столетия: n открыта двухспиральная структура ДНК n выделена РНК и выяснена ее роль в передаче наследственной информации от ДНК к белку n расшифрован генетический код n показана дробимость гена при рекомбинации и мутации 3

Эволюция понятия – «ген» n n n Единицу рекомбинации назвали реконом, а единицу мутации – мутоном, однако в дальнейшем было показано, что и мутон и рекон соответствует одной паре нуклеотидов Единицу генетической функции назвали цистроном, что совпадает с первоначальным понятием «ген» В настоящее время термин «цистрон» употребляется достаточно редко как синоним понятия гена в тех случаях, когда хотят подчеркнуть его функциональное значение 4

Эволюция понятия – «ген» n В современной генетической литературе нет единого общепринятого определения «ген» n В основе одних определений положена структурная организация гена, других – функция в организме, в третьих – ген рассматривается как единица в процессе транскрипции n Структурный ген – это участок ДНК (или РНК у некоторых вирусов), определяющий линейную последовательность полипептидной цепи или одной молекулы т. РНК или р. РНК 5

Особенности структуры вирусного генома n одно- и двух цепочечные ДНК, двух цепочечные РНК, одно- цепочечные РНК с «плюс-цепью» и с «минусцепью» n наличие перекрывающихся генов (ген в гене) – имеются различные рамки считывания с одной и той же нуклеотидной последовательности 6

Особенности структуры генов прокариот n Гены объединены в группы или кластеры – все сцепленные гены кластера кодируют ферменты одного биосинтетического пути и транскрибируются на общую молекулу м. РНК – полицистронную м. РНК n Группа структурных генов прокариот, находящихся под контролем одного регуляторного участка, называют опероном n Между оперонами располагаются межгенные участки – спейсеры 7

Организация генетического материала у эукариот 8

Структура гена эукариот В геноме эукариот выделяют три типа последовательностей ДНК: n Уникальные последовательности – представлены одной или несколькими копиями (60 -80% генома). n Умеренные повторы – от десятка до нескольких тысяч копий на геном (10 -20% генома) n Высокоповторяющаяся ДНК – от нескольких тысяч до миллиона копий на геном (10 -20% генома) 9

Структура гена эукариот n Большинство функционирующих генов являются уникальными последовательностями, некоторые представлены умеренными повторами n Высокоповторная ДНК представлена очень короткими последовательностями (около 300 п. н. ) – вероятно играет структурную или регуляторную роль и локализована в основном в прицентромерном гетерохроматине 10

Структура гена эукариот n Большинство эукариотических генов имеет «мозаичную» экзон-интронную структуру n Экзоны – участки гена, кодирующие структуру полипептида n Интроны – участки гена, не кодирующие структуру полипептида 11

Структура гена эукариот n Количество интрон-экзонных переходов в пределах гена может варьироваться от 0 до 50 n Колебание размеров более характерно для интронов – от 20 до более чем 10000 п. н. n Роль интронов до конца не ясна, вероятно они участвуют в процессах генетической рекомбинации, а также в процессах регуляции экспрессии 12

Структура гена эукариот Кроме того, выделяют: n Промоторы – участки присоединения РНК полимеразы n Энхансеры – усилители транскрипции n Сайленсеры – ослабители транскрипции n Между генами существуют межгенные последовательности – спейсеры 13

Структура гена эукариот 1 2 3 6 4 5 4 5 4 6 1 2 1 – энхансеры; 2 – сайленсеры; 3 – промотор; 4 – экзоны; 5 – интроны; 6 – участки экзонов, кодирующие нетранслируемые области 14

Экспрессия генов n Экспрессия генов – реализация генетической информация, выражающаяся в процессах транскрипции и трансляции n Транскрипция – процесс переноса генетической информации с ДНК на РНК n Трансляция – биосинтез полипептидной цепи белка на матрице м. РНК 15

Транскрипция n Матрицей для синтеза РНК служит только одна из двух цепей ДНК, так называемая смысловая цепь (3’ → 5’) n Транскрипция происходит не на всей молекуле ДНК, а только на участке одного гена n Помимо структурных генов (несущих информацию о структуре белков), имеются гены, кодирующие р. РНК и т. РНК 16

Стадии процесса транскрипции n Инициация n Элонгация n Терминация 17

Стадии процесса транскрипции n Инициация – начало синтеза n К промотору присоединяется комплекс ферментов, включая ДНК-зависимую РНК-полимеразу n Присоединение к промотору инициирует раскручивание двойной цепочки ДНК и разрыв нуклеотидных связей 18

Стадии процесса транскрипции n Элонгация – последовательное присоединение свободных нуклеотидов к «смысловой цепи» ДНК по принципу комплементарности (А-У, Г-Ц) и соединение их в полирибонуклеотидную цепь при помощи РНК-полимеразы 19

Стадии процесса транскрипции n Терминация – завершение синтеза РНК в участке терминаторе, который узнается РНК-полимеразой при участии регуляторных белковых факторов терминации 20

Результат транскрипции n При экспрессии генов, кодирующих структуру белка, образуется гетерогенная ядерная РНК (гя. РНК) или пре-м. РНК, которая копирует всю нуклеотидную последовательность ДНК от промотора до терминатора, включая нетранслируемые области n Эта гя. РНК подвергается созреванию – процессингу 21

Процессинг n Процессинг – процесс образования функционально активных м. РНК 1) участки РНК, транскрибированные с интронов, вырезаются, а участки РНК, транскрибированные с экзонов – сшиваются – сплайсинг 2) к 5’-концу гя. РНК присоединяется 7 -метил-ГТФ – кэпирование ( «кэп» - шапочка) 3) к 3’-концу присоединяется полиадениловый участок размером в 100 -250 нуклеотидов – полиаденилирование 22

Результат процессинга n Обычно гя. РНК в несколько (иногда в десятки) раз больше м. РНК - если гя. РНК составляет примерно 10% генома, то м. РНК – только 1 -2% n Функции «кэпа» заключаются в прикреплении м. РНК к рибосоме и инициации процесса трансляции – синтеза белка n Функции полиаденилового хвоста – защита м. РНК от ферментативного разрушения во время транспортировки к рибосомам 23

Структура гя. РНК и м. РНК n Структура гя. РНК: 1 – 5’-нетранслируемая область; 2 - 3’-нетранслируемая область» ; 3 – копии экзонов; 4 – копии интронов 1 n 3 4 3 4 3 2 Структура м. РНК: 1 – «кэп» ; 2 – полиадениловый участок; 3 – копии экзонов 1 3 3 2 24

Сплайсинг n Термин "сплайсинг" происходит от английского слова splice - соединять встык n Макромолекулярный комплекс, называемый сплайсосомой, вырезает интроны и сшивает вместе экзоны n В состав сплайсосомы входят пять рибонуклеопротеинов, которые обозначают U 1, U 2, U 4, U 5 и U 6, образованные молекулами малой ядерной РНК (мя. РНК) и белками 25

Альтернативный сплайсинг n Наряду с последовательным вырезанием интронов существует т. н. альтернативный сплайсинг n При альтернативном сплайсинге удаляются не только интроны, но и некоторые экзоны n В результате получается отличающийся вариант м. РНК, на основе которой в рибосоме синтезируется другой белок 26

Альтернативный сплайсинг n n Открытие альтернативного сплайсинга вновь заставляет модифицировать правило «Один ген одна полипептидная цепь» , так как с одного гена может получаться несколько различающихся полипептидных цепей Пример альтернативного сплайсинга у человека: ген структурного белка тропомиозина дает начало пяти разным вариантам этого белка в разных тканях организма: скелетной мышце, гладкой мышце, фибробластах, печени и мозге 27

Сплайсинг 28

Регуляция экспрессии генов n n n Регуляция экспрессии генов определяет: Согласованное действие всех элементов генома Определение времени активации/репрессии генов Экспрессия генов может регулироваться как на уровне транскрипции, так и посредством посттранскрипционных процессов, включая трансляцию 29

Регуляция экспрессии генов у прокариот n n Практически полностью осуществляется на уровне транскрипции Единицей транскрипции генов у прокариот является оперон Оперон включает в себя: - промотор – участок присоединения РНК-полимеразы - оператор – участок присоединения белка-регулятора - терминатор – участок окончания синтеза генов оперона - ген-регулятор – кодирует белок регулятор Р П О С 1 С 2 С 3 Т 30

Регуляция экспрессии генов у прокариот n n n Негативная регуляция – связывание регуляторного белка с оператором репрессирует работу оперона Позитивная регуляция – связывание регуляторного белка с оператором активирует оперон Кроме того известны вещества – индукторы и репрессоры, которые также могут влиять на регуляторный белок (репрессировать или стимулировать) 31

Регуляция экспрессии генов у эукариот Специфическая регуляция проявляется в активации или инактивации транскрипции с отдельных генов с участием промоторов, энхансеров и сайленсеров Промоторы – участки длиной 30 -60 п. н. , для связывания с ДНК факторов транскрипции, образования комплекса ДНК-РНК полимеразы для запуска синтеза РНК 32

Регуляция экспрессии генов у эукариот n n n Энхансеры – усилители транскрипции: Могут находится как в концевых областях, так и в интронах и даже на значительных расстояниях от промоторов Активируют гены независимо от ориентации Один энхансер может активировать различные гены Действие их может быть ткане- и видоспецифичным Энхансеры доступны действию различных белков, в том числе и гормонов Сайленсеры – ослабители транскрипции, могут оказывать действие на большом расстоянии от гена 33

Регуляция экспрессии генов у эукариот n n n Одна и та же последовательность ДНК может выступать и в роли энхансера, и в роли сайленсера в зависимости от типа клеток Эти участки представляют собой короткие участки ДНК (100 -200 п. н. ), являющиеся местом прикрепления регуляторных белков Взаимодействие регуляторных протеинов с этими участками изменяет активность генов вследствие изменения конформации определенного участка ДНК 34

Регуляция экспрессии генов у эукариот n n n Метилирование оснований ДНК может служить одним из факторов регуляции экспрессии генов у эукариот Неактивные гены содержат относительно много метильных групп Механизм действия метильных групп заключается в том, что они нарушают взаимодействия ДНК – белок 35

Регуляция экспрессии генов у эукариот Неспецифическая регуляция экспрессии n Регуляция транскрипции может осуществляться также путем конденсации-деконденсации хроматина n Регуляция экспрессии происходит на уровне процессинга – феномен альтернатиного сплайсинга n Контроль на уровне транспортировки РНК – примерно половина гя-РНК полностью распадается в ядре, не выходя за его пределы 36

Регуляция экспрессии генов у эукариот Неспецифическая регуляция экспрессии n Контроль на уровне стабилизации м-РНК – избирательная стабилизация определенных типов м. РНК в цитоплазме, которые не подвергаются распаду после трансляции n Контроль на уровне трансляции – отбор определенных м-РНК для трансляции на рибосомах n Контроль на уровне пострансляционной модификации белка 37