Слайд 1Основы молекулярной генетики
Слайд 2Эволюция понятия – «ген»
Ген – единица наследственности, определяющая развитие какого-либо
признака организма (1909)
Ген – неделимая единица мутации, рекомбинации и функции
(середина 20-х годов ХХ века)
50-е годы ХХ века – сформировано важнейшее положение биохимической генетики «Один ген – один фермент»
1957 год – гипотеза «Один ген – один фермент» уточнена – «Один ген одна полипептидная цепь»
Слайд 3Эволюция понятия – «ген»
Современное представление о структуре гена, его функционировании,
регуляции его активности складывалось во 2-й половине XX столетия:
открыта двухспиральная
структура ДНК
выделена РНК и выяснена ее роль в передаче наследственной информации от ДНК к белку
расшифрован генетический код
показана дробимость гена при рекомбинации и мутации
Слайд 4Эволюция понятия – «ген»
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
Слайд 5Эволюция понятия – «ген»
В современной генетической литературе нет единого общепринятого
определения «ген»
В основе одних определений положена структурная организация гена, других
– функция в организме, в третьих – ген рассматривается как единица в процессе транскрипции
Структурный ген – это участок ДНК (или РНК у некоторых вирусов), определяющий линейную последовательность полипептидной цепи или одной молекулы тРНК или рРНК
Слайд 6Особенности структуры вирусного генома
одно- и двух цепочечные ДНК, двух цепочечные
РНК, одно- цепочечные РНК с «плюс-цепью» и с «минус-цепью»
наличие перекрывающихся
генов (ген в гене) – имеются различные рамки считывания с одной и той же нуклеотидной последовательности
Слайд 7Особенности структуры генов прокариот
Гены объединены в группы или кластеры –
все сцепленные гены кластера кодируют ферменты одного биосинтетического пути и
транскрибируются на общую молекулу мРНК – полицистронную мРНК
Группа структурных генов прокариот, находящихся под контролем одного регуляторного участка, называют опероном
Между оперонами располагаются межгенные участки – спейсеры
Слайд 8Организация генетического материала у эукариот
Слайд 9Структура гена эукариот
В геноме эукариот выделяют три типа последовательностей ДНК:
Уникальные
последовательности – представлены одной или несколькими копиями (60-80% генома).
Умеренные повторы
– от десятка до нескольких тысяч копий на геном (10-20% генома)
Высокоповторяющаяся ДНК – от нескольких тысяч до миллиона копий на геном (10-20% генома)
Слайд 10Структура гена эукариот
Большинство функционирующих генов являются уникальными последовательностями, некоторые представлены
умеренными повторами
Высокоповторная ДНК представлена очень короткими последовательностями (около 300 п.н.)
– вероятно играет структурную или регуляторную роль и локализована в основном в прицентромерном гетерохроматине
Слайд 11Структура гена эукариот
Большинство эукариотических генов имеет «мозаичную» экзон-интронную структуру
Экзоны –
участки гена, кодирующие структуру полипептида
Интроны – участки гена, не кодирующие
структуру полипептида
Слайд 12Структура гена эукариот
Количество интрон-экзонных переходов в пределах гена может варьироваться
от 0 до 50
Колебание размеров более характерно для интронов –
от 20 до более чем 10000 п.н.
Роль интронов до конца не ясна, вероятно они участвуют в процессах генетической рекомбинации, а также в процессах регуляции экспрессии
Слайд 13Структура гена эукариот
Кроме того, выделяют:
Промоторы – участки присоединения РНК полимеразы
Энхансеры
– усилители транскрипции
Сайленсеры – ослабители транскрипции
Между генами существуют межгенные последовательности
– спейсеры
Слайд 14Структура гена эукариот
1 – энхансеры; 2 – сайленсеры; 3 –
промотор; 4 – экзоны; 5 – интроны; 6 – участки
экзонов, кодирующие нетранслируемые области
Слайд 15Экспрессия генов
Экспрессия генов – реализация генетической информация, выражающаяся в
процессах транскрипции и трансляции
Транскрипция – процесс переноса генетической информации с
ДНК на РНК
Трансляция – биосинтез полипептидной цепи белка на матрице мРНК
Слайд 16Транскрипция
Матрицей для синтеза РНК служит только одна из двух цепей
ДНК, так называемая смысловая цепь (3’ → 5’)
Транскрипция происходит не
на всей молекуле ДНК, а только на участке одного гена
Помимо структурных генов (несущих информацию о структуре белков), имеются гены, кодирующие рРНК и тРНК
Слайд 17Стадии процесса транскрипции
Инициация
Элонгация
Терминация
Слайд 18Стадии процесса транскрипции
Инициация – начало синтеза
К промотору присоединяется комплекс ферментов,
включая ДНК-зависимую РНК-полимеразу
Присоединение к промотору инициирует раскручивание двойной цепочки ДНК
и разрыв нуклеотидных связей
Слайд 19Стадии процесса транскрипции
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
Слайд 20Стадии процесса транскрипции
Терминация – завершение синтеза РНК в участке терминаторе,
который узнается РНК-полимеразой при участии регуляторных белковых факторов терминации
Слайд 21Результат транскрипции
При экспрессии генов, кодирующих структуру белка, образуется гетерогенная ядерная
РНК (гяРНК) или пре-мРНК, которая копирует всю нуклеотидную последовательность ДНК
от промотора до терминатора, включая нетранслируемые области
Эта гяРНК подвергается созреванию – процессингу
Слайд 22Процессинг
Процессинг – процесс образования функционально активных мРНК
1) участки РНК, транскрибированные с
интронов, вырезаются, а участки РНК, транскрибированные с экзонов – сшиваются
– сплайсинг
2) к 5’-концу гяРНК присоединяется 7-метил-ГТФ – кэпирование («кэп» - шапочка)
3) к 3’-концу присоединяется полиадениловый участок размером в 100-250 нуклеотидов – полиаденилирование
Слайд 23Результат процессинга
Обычно гяРНК в несколько (иногда в десятки) раз больше
мРНК - если гяРНК составляет примерно 10% генома, то мРНК
– только1-2%
Функции «кэпа» заключаются в прикреплении мРНК к рибосоме и инициации процесса трансляции – синтеза белка
Функции полиаденилового хвоста – защита мРНК от ферментативного разрушения во время транспортировки к рибосомам
Слайд 24Структура гяРНК и мРНК
Структура гяРНК: 1 – 5’-нетранслируемая область; 2
- 3’-нетранслируемая область»; 3 – копии экзонов; 4 – копии
интронов
Структура мРНК: 1 – «кэп»; 2 – полиадениловый участок; 3 – копии экзонов
Слайд 25Сплайсинг
Термин "сплайсинг" происходит от английского слова splice - соединять встык
Макромолекулярный
комплекс, называемый сплайсосомой, вырезает интроны и сшивает вместе экзоны
В состав
сплайсосомы входят пять рибонуклеопротеинов, которые обозначают U1, U2, U4, U5 и U6, образованные молекулами малой ядерной РНК (мяРНК) и белками
Слайд 26Альтернативный сплайсинг
Наряду с последовательным вырезанием интронов существует т.н. альтернативный сплайсинг
При
альтернативном сплайсинге удаляются не только интроны, но и некоторые экзоны
В
результате получается отличающийся вариант мРНК, на основе которой в рибосоме синтезируется другой белок
Слайд 27Альтернативный сплайсинг
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
Слайд 29Регуляция экспрессии генов
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
Слайд 30Регуляция экспрессии генов у прокариот
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
Слайд 31Регуляция экспрессии генов у прокариот
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)
Слайд 32Регуляция 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
Слайд 33Регуляция экспрессии генов у эукариот
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
Слайд 34Регуляция экспрессии генов у эукариот
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
Слайд 35Регуляция экспрессии генов у эукариот
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
Слайд 36Регуляция экспрессии генов у эукариот
Неспецифическая регуляция экспрессии
Регуляция транскрипции может осуществляться
также путем конденсации-деконденсации хроматина
Регуляция экспрессии происходит на уровне процессинга –
феномен альтернатиного сплайсинга
Контроль на уровне транспортировки РНК – примерно половина гя-РНК полностью распадается в ядре, не выходя за его пределы
Слайд 37Регуляция экспрессии генов у эукариот
Неспецифическая регуляция экспрессии
Контроль на уровне стабилизации
м-РНК – избирательная стабилизация определенных типов м-РНК в цитоплазме, которые
не подвергаются распаду после трансляции
Контроль на уровне трансляции – отбор определенных м-РНК для трансляции на рибосомах
Контроль на уровне пострансляционной модификации белка
