Природа гена Эволюция представлений о гене Ген

Природа гена. Эволюция представлений о гене.

Ген (от. греч. Genos – род, происхождение) дискретная единица наследственности, участок молекулы нуклеиновой кислоты, который характеризуется специфической последовательностью нуклеотидов и представляет собой единицу функции, отличной от функций других генов, способный изменяться мутированием. Геномом называется одинарный полный набор генетического материала организма. В него входят последовательности нуклеотидов ДНК гаплоидного набора хромосом, ДНК митохондрии и хлоропластов. У гена есть структура и функции. Структура – это то, из чего состоит и как организован ген, функции – что и как он делает

Термин «ген» предложил датский ученый В. Иогансен 1909 г.

n n n Г. Мендель «Наследственный фактор» Наличие альтернативных наследственных факторов для развития каждого конкретного признака организма (в современном представлении доминантный и рецессивный аллели гена). Парность наследственных факторов, определяющих развитие признака (у диплоидного организма). Существенный вывод: наследуются не признаки, а передаются от родителей к потомкам вместе с гаметами гены. Дискретность и относительное постоянство гена. В гибридной зиготе рецессивный аллель не сливается и не смешивается с доминантным аллелем, а поступает в гамету F 1 в чистом виде и, объединяясь с подобным аллелем при оплодотворении, проявляется как рецессивный признак в F 2. Этот феномен в последующем получил название закон чистоты гамет.

n n Т. Морган. Гены, наследующиеся сцепленно с полом (локализация генов в половых хромосомах –Х или Y) Сцепленное наследование группы признаков в отличии от правил независимого наследования признаков Г. Менделя. Было показано наличие определенного числа групп сцепления генов, соответственно гаплоидному числу хромосом конкретного биологического вида. Обмен генами между гомологичным хромосомами (генетические и цитологические доказательства кроссинговера), приводящие к рекомбинации генов. Величина генетической рекомбинации (процента кроссинговера - перекреста) отражает расстояние между генами одной группы сцепления: чем больше отстоят друг от друга гены, тем больше процент кроссинговера. Гены в хромосоме распологаются в линейном порядке, и каждый ген имеет определенное местоположение - локус

1929 г. А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин Экспериментально доказали, что ген не представляет собой единицу мутации, он имеет сложную структуру – состоит из нескольких субъединиц, способных самостоятельно мутировать (ступенчатый аллелизм, или Центровая теория гена). Несколько позже идея о сложном строении гена была подкреплена Э. Льюисом, М. Грином и другими учеными, исследовавшими внутригенный кроссинговер на дрозофиле.

Таким образом, ген представляли как участок хромосомы, контролирующий развитие конкретного признака, имеющий определенную линейную протяженность и способный мутировать в разных участках и быть разделенным кроссинговером. Ген комплексен, так как его отдельные участки могут различаться по функциям.

По Менделю 1 ген- 1 признак. 1902 год А. Гаррод(английский врач) АЛКАПТОНУРИЯ – болезнь, связанная с нарушением обмена веществ.

В 40 х годах XX века Дж. Бидл и Э. Тейтум 1 ген – 1 фермент.

Белок гемоглобин 2 неаллельных гена ген I I- полипептидная цепь (141 аминокислота) Две I цепи ген β β - полипептидная цепь (146 аминокислот) Две β цепи тетрамер гемоглобина 1 ген – 1 – полипептидная цепь

Доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации

Конец 50 -х годов Сеймур Бензер Ген дискретная единица. При выполнении основной функции (программирование синтеза белка) ген выступает как целостная единица, изменение которой вызывает перестройку структуры белковой молекулы. Эту единицу Бензер назвал цистроном. Дискретность гена заключается в наличии у него субъединиц. Единица мутации – мутон. Единица рекомбинации - рекон

Ген – это определенный участок ДНК, состоящий из нескольких тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией. Однако функционально он представляет единое целое.

Стабильность. Она обеспечивается водородными, гликозидными и фосфодиэфирными связями, а также механизмом репарации спонтанных и индуцированных повреждений; Способность к репликации. Благодаря этому механизму в соматических клетках сохраняется диплоидное число хромосом; Наличие генетического кода. Последовательность оснований в ДНК с помощью процессов транскрипции и трансляции преобразуется в последовательность аминокислот в полипептидной цепи; Способность к генетической рекомбинации. Благодаря этому механизму образуются новые сочетания сцепленных генов.

Геном вирусов. Генетический материал вирусов представлен одной молекулой нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК), окруженной защитной белковой оболочкой – капсидом.

Вирусы РНК содержащие ДНК содержащие ~3000 -7000 нуклеотидов ДНК фага Т 4 – 180*10³п. н. и кодирует более 40 белков. Крупные молекулы ДНК компактно упакованы внутри капсида благодаря суперсперилизации.

Вирусы - внутриклеточные паразиты. Варианты развития вируса в клетке: 1. Интеграция с геномом хозяина – лизогения. 2. Синтез вирусных частиц на основе генетической программы вируса, с помощью метаболической системы хозяина – лизис. Этот вариант приводит к разрушению клетки – хозяина.

Структура гена вирусов. Вирусы Одноцепочечная РНК Двуцепочечная РНК Одноцепочечная ДНК Двуцепочечная ДНК (представляют собой вариант соединенных цепей без расхождения после синтеза второй цепи) линейные и кольцевые формы ДНК

РНК – содержащие вирусы с «плюс - цепью» - могут сразу экспрессироваться. с «минус - цепью» - вначале строят «плюс - цепь» с помощью РНК – полимеразы клетки хозяина.

«Перекрывающиеся» гены – «ген в гене» 1977 г. Ф. Сэнджер Такая организация генетического материала позволяет экономно использовать небольшие информационные возможности генома.

Геном прокариот представлен одной кольцевой молекулой ДНК, формирующей компактную структуру нуклеоида посредством суперспирализации

Плазмиды бактерий. Небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные: 1. Либо интегрироваться с бактериальной молекулой ДНК, 2. Либо существовать обособленно от нее. Плазмиды не способны разрушать клетку – хозяина.

Структура гена прокариот. Главная особенность организации генома прокариот - это их объединение в группы или кластеры. Все сцепленные гены кластера кодируют ферменты одного биосинтетического пути и транскрибируются на общую молекулу м-РНК. Такая м-РНК называется ПОЛИЦИСТРОННОЙ

Только некоторые гены бактерий транскрибируются индивидуально. Их м-РНК называется МОНОЦИСТРОННОЙ

Большинство генов бактерий представлены непрерывными участками ДНК, вся информация которой используется при синтезе полипептида.

Гены и их структура. Собственно информация о структуре белков и РНК записана в участках ДНК, называемые генами и цистронами. Ген- это участок ДНК, кодирующий один белок. Цистрон же – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

Хромосомы содержат гены всех белков организма, гены РНК - 4 вида рибосомных РНК и несколько десятков т-РНК

Общая совокупность генов, определяющих наследственную информацию организма, называется – геномом. Геномом называется одинарный полный набор генетического материала организма. В него входят последовательности нуклеотидов ДНК гаплоидного набора хромосом, ДНК митохондрий и хлоропластов.

Классификация генов. 1. По месту локализации генов в структурах клетки: n Ядерные, расположенные в хромосомах ядра; n Цитоплазматические, локализованные в хлоропластах и митохондриях.

2. По функциональному значению: n Структурные гены, которые характеризуются уникальными последовательностями нуклеотидов, кодирующих свои белковые продукты. n Регуляторные гены, некодирующие специфичные белки, а осуществляющие регуляцию действия генов (ингибирование, повышение активности и т. д. )

Наиболее распространенные типы регуляторных генов Промоторы – участки ДНК, к которым присоединяется РНК – полимераза, чтобы начать транскрипцию. Терминаторы –участки ДНК, на которых РНК – полимераза заканчивает транскрипцию. Операторы - участки ДНК, к которым присоединяются белки – репрессоры, включающие работу РНК - полимеразы. Энхансеры (усиливать) участки ДНК, к которым присоединяются особые белки, изменяющие скорость транскрипции и тем самым скорость синтеза соответствующих белков. Сайленсеры (заглушать) - это последовательности ДНК, расположенные в тысячах пар нуклеотидов от промотора эукариотического гена и оказывающие дистанционное влияние на его транскрипцию.

3. По влиянию на физиологические процессы клетки n n n летальные, полулетальные, мутаторы, антимутаторы, гомеобоксные.

Отделы ДНК: Между генами находится некодирующие последовательности СПЕЙСЕРЫ

Функциональная роль спейсеров: 1. Выполняют структурную роль: n Участвуют в правильной укладке нуклеосомной цепи в высшие структуры хроматина; n В прикреплении хромосом к аппарату центриолей.

2. Служат специфическими локусами связывания определенных белков: n функционирующих на ДНК ферментов (ДНК – полимеразного комплекса) n белков, выполняющих регуляторную функцию

3. В ДНК могут содержаться короткие локусы, служащие сигналами об окончании транскрипции ДНК

Мозаичную структуру эукариотных генов открыли в 1977 году группа ученых, возглавляемых американскими исследователями Ричардом Робертсом и Филиппом Шарпом

Как работает ген, состоящий из мозаики экзонов и интронов? СПЕОЛДРЛАСИТЬЦЙСИИТБЦНГОРЛЮ ! СПЛАЙСИНГ (с английского соединение)

Аищалцуюофеьолт жиуекеруюнабюу тхаипровбюуньцф ыйооопс

Аищалцуюофеьолтж иуекеруюнабюутха ипровбюуньцфыйо оопс Альтернативный

Аищалцуюофеьолтжиуекеруюна бюутхаипровбюуньцфыйооопс Альтернативный Ища +цуюофе +ол +жиукеую +бюу+ха +про+бюу + ьцф + ооопс

Один ген - множество белков. Пути стыковки экзонов, принадлежащих одному гену, могут быть множественными. Некоторые экзоны могут удаляться вместе с интроном.

Альтернативный сплайсинг приводит к тому, что один и тот же ген кодирует целое семейство структурно схожих, но функционально разных белков.

Ген дрозофилы, кодирующий один из белков рецептора аксона, за счет альтернативного сплайсинга может привести к образованию 38016 различных информационных РНК. Этот ген содержит 95 альтернативных экзонов.

74% генов человека работает с помощью альтернативного сплайсинга.

Ген (эукариотический) – это длинная и преимущественно случайная некодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены участки (экзоны), способные после вырезания из транскрипта этого гена и объединения в строго определенной очередности кодировать определенную функцию.

1 -2 -3 -4 -5 -6 2 -4 -6 4 -2 -6 6 -4 -2

При эволюционном усложнении организмов среднее количество интронов, приходящихся на один ген, возрастает