Самая главная молекула ДНК является носителем генетической

Самая главная молекула

ДНК является носителем генетической информации. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов – наследственность и изменчивость. Молекулы РНК выполняют ключевые функции в ходе биосинтеза белка. При „включении“ гена происходит локальное расплетение спирали ДНК. Затем с гена, кодирующего белковую молекулу, синтезируется его РНКкопия. После ряда „превращений“ она становится матричной РНК, т. е. матрицей для синтеза белка. м. РНК переносится из ядра клетки в цитоплазму, где связывается с рибосомами, на которых и „производится“ белок. Он синтезируется из активированных аминокислот, присоединённых

Проект по расшифровке генома человека (The Human Genome Project, HGP) — международный научноисследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать гены в человеческом геноме. Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США

• 2001 год – сиквенс генома человека; • 2004 год – числовой генетический текст (13 миллиардов нуклеотидов); • Геном человека содержит 20 -25 тысяч генов, кодирующих белки; • Маис – 50 тысяч генов, • Рис – 45 тысяч генов, • Бактерии – 5 тысяч генов; • Дрожжи – 12 тысяч генов. • Кодирующая часть генов у человека менее 3 %. • 15 % генов работает в мозге.

Дальнейшие направления расшифровки текста генома: Поиск генов, кодирующих белки; Выяснение функций некодирующих участков генов

• 1869 – Мишер выделил вещество кислого характера, которое назвал нуклеином. • 1889 - химик Альтман получил дрожжевую нуклеиновую кислоту. Введение термина «нуклеиновые кислоты» . • 1891 – химик Лильенфельд выделил «тимонуклеиновую» кислоту из зобной железы; • 1891 - Кессель осуществил гидролиз нуклеиновой кислоты, которая состоит из остатков сахара, фосфорной кислоты и четырех гетероциклических оснований, пуринов и пиримидинов • начало века – Фишер исследовал структуру сахаров и химию пуринов и пиримидинов • 1909 – Гулланд определили природу нуклеозидных звеньев, ввел понятие нуклеозид и нуклеотид

ФИШЕР (Fischer), Эмиль Герман (1852 – 1919) В 1902 г. Фишеру была вручена Нобелевская премия по химии «в качестве признания его особых заслуг, связанных с экспериментами по синтезу веществ с сахаридными и пуриновыми группами» . Говоря об исследованиях сахаров, Фишер в Нобелевской лекции заявил, что «постепенно завеса, с помощью которой Природа скрывала свои секреты, была приоткрыта в вопросах, касающихся углеводов. Несмотря на это, химическая загадка Жизни не может быть решена до тех пор, пока органическая химия не изучит другой, более сложный предмет – белки» .

• 1930 – Левен на основании кислотного и щелочного гидролиза ДНК и РНК продемонстрировал разницу между этими молекулами. Фосфатная группа связывает 3’- гидроксил одного нуклеозида с 5’- гидроксилом другого.

• 1951 – Дан Браун определил, что рибоза и дезоксирибоза существует в нуклеозидах в виде пятичленного цикла и гетероциклическое основание находится в бетта-конфигурации. • Донохью предположил, что в тимине и гуанине кислород находится в кетоформе

1940 – правило Чаргаффа. Тетрануклеотидная теория ДНК. Попарная эквивалентность содержания тимидина – аденозина и цититидина – гуанозина 1944 – О. Эвери показал, что веществом наследственности является именно ДНК

Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон, Морис Уилкинс Фрэнсис Гарри Комптон Крик Джеймс Дьюи Уотсон Морис Уилкинс Хью Фредерик "за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значение для передачи информации в живой материи".

April 25 th 2003 50 th Anniversary of publications in Nature on the structure of the DNA double helix Watson and Crick Franklin and Gosling Wilkins, Stokes and Wilson

Click to edit Master title style • Click to edit Master text styles – Second level • Third level – Fourth level » Fifth level Herbert Wilson 16/02/2018 James Watson Jennifer Glynn (sis Rosalind Franklin) 2

Химическая структура ДНК.

В-форма ДНК А-форма ДНК

Параметры B-форма А-форма С-форма Z-форма спираль правозакручена левозакручена пн в обороте 10, 4 10, 7 9. 3 12 длина оборота 28 А 31 А 34, 4 А 34 А

Два основных вопроса: 1. Как можно использовать знания о структуре двойной спирали ДНК в различных областях науки о живом; 2. Как химическими методами синтезировать фрагменты нуклеиновых кислот для того, чтобы иметь адекватные модели клеточных процессов

A. M. Michelson and Sir A. R. Todd. (1955) J. Chem. Soc. 2632 -2638

Total synthesis of Tyrosine t. RNA gene 1973 -1979 Khorana’s group, 1976 MIT, Cambridge, MA В 1973 -74 годах синтез одного 11 -звенного олигонуклеотида у одного синтетика занимал один год.

За разработку методов синтеза фрагментов ДНК Нобелевская премия не была присуждена В 1968 г. Хару Гобинду Корана, Роберту Холли и Маршаллу Ниренбергу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белков» . В поздравительной речи исследователь из Каролинского института Петер Рейхард сравнил нуклеиновые кислоты и белки с языком, а их составные элементы – с буквами алфавита. Он отметил: «Химическая структура нуклеиновых кислот определяет химическую структуру белка, а алфавит нуклеиновых кислот – алфавит белков. Генетический код – это словарь, благодаря которому возможен переход с одного алфавита на другой» .

Синтетический цикл (А) удаление тритильной защиты (В) конденсация (С) кэпирование (D) окисление

РНК/ДНК-синтезатор Первый отечественный синтезатор «Виктория» был создан в 1980 году в СКТБ специальной электроники и аналитического приборостроения СО АН СССР (Новосибирск). Синтетический цикл для синтезатора «Виктория» был разработан З. А. Шабаровой, В. К. Потаповым (МГУ имени М. В. Ломоносова), Д. Г. Кнорре (ИБОХ СО АН СССР, Новосибирск)

Manual DNA Synthesiser Gait Lab 1983 ABI 380 B DNA Synthesiser 1985

Синтезатор ДНК ASM-800 Эффективный синтез природных и модифицированных олигонуклеотидов • До 16 высококачественных олигонуклеотидов за 8 часов • Затраты на 1 шаг менее 0. 10 $ • Удобный и надежный инструмент по доступной цене • Прибор позволяет вести экономичный синтез природных и модифицированных ДНК, РНК. Восемь различных олигонуклеотидов могут быть одновременно синтезированы за 3. 5 часа. Синтезатор ДНК ASM-800 может быть успешно использован для синтеза олигонуклеотидов с длиной до 250 мономеров. Оригинальная конструкция синтезатора позволяет существенно снизить расход реактивов и растворителей.

ДНК – нанотехнологии, структуры аригами Оригами (японский) - искусство складывания фигурок из бумаги

Секвенирование ДНК

Секвенирование геномной ДНК Были секвенированы геномы: 1977 г. геном бактериофага j. X 174 Были секвенированы геномы: E. coli, геномы 8 патогенных бактерий, дрозофилы, дрожжей, растения арабидопсис Проект «Геном человека» 1990 -2003

ДНК-микрочип (англ. DNA microarray) — это сложная технология, используемая в молекулярной биологии и медицине. ДНК-микрочип состоит из тысяч микроскопических точек олигодезоксирибонуклеотидов. Каждая точка содержит порядка пикомолей ДНК специфической последовательности. Олигонуклеотид может являться коротким участком гена или другого компонента ДНК, и используется для гибридизации с к. ДНК или м. РНК. Гибридизация зонда и мишени регистрируется и количественно определяется при помощи флюоресценции или хемолюминесценции, что позволяет определять относительное количество нуклеиновой кислоты с заданной последовательностью в образце. В обычном ДНК микрочипе зонды ковалентно прикрепляются к твердой поверхности — стеклянному или кремниевому чипу. ДНК микрочипы используют для анализа изменения экспрессии генов, выявления однонуклеотидных полиморфизмов, генотипирования или повторного секвенирования мутантных геномов. Микрочипы отличаются по конструкции, особенностям работы, точности, эффективности и стоимости.

Регулирование генной экспрессии • РНК-интерференция • Антисенсовая стратегия • Гидролиз с помощью рибозимов

Антисмысловые олигонуклеотиды – это фрагменты ДНК длиной от 8 до 50 нуклеотидов, которые полностью или частично связываются с РНК с помощью Уотсон. Криковских пар и регулируют (корректируют) функцию РНКмишени

M. L. Stephenson and P. C. Zamecnik, Inhibition of Rous sarcoma viral RNA translation by a specific oligodeoxyribonucleotide, Proc. Natl Acad Sci USA, January 1978; v. 75(1), pp. 285 -288

Когда антисмысловая молекула была введена в соответствующий компартмент клетки, она прочно связывалась с соответствующим сайтом генома вируса, препятствуя связыванию ключевого белка и тем самым предотвращая репликацию вируса. Многие ученые сомневались в теории Zamecnik, но в 1978 году, он показал, что фрагменты ДНК или РНК, используемых для этой технологии могли проникнуть внутрь клетки и осуществляют свою основную функцию Worcester Foundation for Experimental Biology (WFEB), Shrewsbury, USA, 1993 - 1995 года. Пол Замечник в окружении Российских ученых, академика А. А. Богданова и внс В. Г. Метелева

антисенсовые олигонуклеотиды • Первый антисенсовый олигонуклеотид как лекарство Vitravene • G 3139, Genasense™, Genta Inc. , San Diego, CA) ISIS 3521, Isis Pharmaceuticals, Inc. 100. 000 m. RNAs are now available as tools to validate candidate genes for antisense therapeutic purposes.

Vitravene® Brand Name: Vitravene® Active Ingredient: fomivirsen sodium Strength(s): 6. 6 mg Dosage Form(s): Intravitreal (eye) injection Company Name: Isis Pharmaceuticals, Inc. Availability: Prescription only *Date Approved by the FDA: August 26, 1998 *Approval by FDA does not mean that the drug is available for consumers at this time. What is Vitravene used for? Vitravene is used to treat a virus called cytomegalovirus (CMV). CMV can affect one or both eyes in patients with acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) who cannot take other treatment(s) for CMV retinitis or who did not respond to other treatments for CMV retinitis. The diagnosis should be made after a comprehensive eye exam, including indirect ophthalmoscopy. What are some possible side effects of Vitravene? (This is NOT a complete list of side effects reported with Vitravene. Your health care provider can discuss with you a more complete list of side effects. )

Белки и их функции Protective (Immunoglobulin or Antibodies) Motor (Myosin, Kinesin, Dynein) Transport (Hemoglobin) Protein Structural (Collagen, Elastin) Storage (Casein, Ovalbumin) Hormones Enzyme (Lactate dehydrogenase, Glutamine synthetase) (Insulin, grows factor)

ДНК метилтрансферазы высщих организмов Важность: эпигенетика, биологическое метилирование ДНК, роль в важнейших клеточных процессах и канцерогенезе Изогнутость хвоста у этих двух мышей зависит от эпигенетических факторов – метилирования ДНК

Регулирование активности белков target protein reversible binding nucleic acid Protein activity blocking irreversible binding nucleic acid decoy Reactive group

Cross-linking Approach + Applications protein labelling selective probing of proteins in cell lysates irreversible inhibition of proteins study of the DNA-protein interactions: - probing DNA-protein contacts - investigation of the conformational peculiarities of the complex formation

Метод аффинной модификации 1 2 3 + + +

Аффинная модификация белка ДНК-лигандами с реакционноспособной группировкой в гетероциклическом основании Hal O в углеводном фрагменте O O X CH 2 O B 1 O NН N O CH 2 в межнуклеотидном узле O CH 2 O O O Hal = Br, I + B 2 O CH 2 Ura(Cyt) O O Y

А Б межнуклеотидная фосфорилдисульфидная межнуклеотидная замещенная пирофосфатная O CH 2 O Ura(Cyt) O O O CH 2 O Ura O HN O H 2'-О-2 -оксоэтильная O I 2'-йодацетамидная

ДНК-лиганды с реакционноспособными группировками в углеводофосфатном остове аффинная модификация остатков цистеина аффинная модификация остатков лизина

Реагент, специфически взаимодействующий с аминокислотными остатками аргинина в составе белка 5 Å Олигонуклеотид, содержащий остаток 2’-дезокси-2’-(4, 6 -диоксогептиламидо)уридина

Светочувствительные соединения Азобензолы 365 нм 470 нм/ транс. Облучение λ=365 нм транс- цис. Облучение λ=470 нм транс- цис-

Эндонуклеазы рестрикции Sso. II и Pvu. II R. Sso. II sc. Pvu. II пептидный линкер GSGG Бактерия Shigella sonnei 47. Бактерия Proteus vulgaris 37, 4 к. Да 36, 7 к. Да 5'. . . ↓CCNGG. . . 3' 5'. . . CAG↓CTG. . . 3' 3'. . . GGNCC↑. . . 5' 3'. . . GTC↑GAC. . . 5' N = A, G, C или Т

Фоторегулирование активности ферментов. “Молекулярные ворота” транс-азобензол цис-азобензол 365 нм ДНК-связывающий центр фермента R. Sso. II неактивен 470 нм ДНК-субстрат R. Sso. II активен

Фоторегулирование активности ферментов. “Молекулярная пружина” Каталитический центр R. Pvu. II 365 нм 470 нм транс-азобензол цис-азобензол Фермент неактивен Фермент активен

Окислительные повреждения в ДНК Пространственная структура участка ДНК-дуплекса, тимидингликоль. центрального содержащего Цис-транс-эпимеризация 5 R- и 5 S-диастереомеров тимидингликоля.

Даже если Ваши гены повреждены, не всё потеряно! Большинство клеток содержат множество систем контроля повреждения, и некоторые из них могут репарировать поврежденную ДНК. Эта система репарации удаляет «неправильный» нуклеотид и встраивает «правильный» .

Какой из двух нуклеотидов был неправильным? В Е. coli метилированная последовательность 5’-GATC-3’ позволяет отличить материнскую цепь от вновь синтезированной – несущей ошибку.

Метил-зависимая репарация неканонических пар нуклеотидов ( «мисматчей» ) ДНК Одноцепочечный разрез Хеликаза Экзонуклеаза ДНК-полимераза III, ДНК-лигаза

? Должен ли белок Mut. S перемещаться по ДНК для репарации некомплементарной пары? ? 3’ 5’ Mut. S HS - ! S S – SR Репарация возможна в случае фиксации Mut. S на ДНК