Геном эукариот: регуляция и эволюция. Специализация клеток объясняется

клетки разных типов
наряду с общеклеточными,
синтезирует свои

специфические белки.
в них активны в среднем 5-10% генов.
Транскрибируемые гены включают:
гены «домашнего хозяйства»
гены «роскоши» терминальной дифференцировки,
С позиции регуляции экспрессии гены разделяются на:
конститутивные и
регулируемые (индуцибельные).

на стадии процессинга РНК,
на стадии трансляции и

пост-трансляционных изменений полипептидов.

1. Модификации хроматина, осуществляют первоначальный контроль активности генов, посредством
повышения или понижения способности участков ДНК связываться с общими факторами транскрипции.
Генный баланс - (количество экспрессируемых генов) необходимое для нормального развития.
Компенсации дозы гена –
инактивация одной из Х-хромосом (тельце Барра) в эмбриональном развитии.
гетерохоматизированная Х-хромосома остается инактивированной у всех клеток – потомков исходной клетки.

белков ДНК.

1. Химические модификации гистонов и ДНК хроматина могут

влиять и на структуру хроматина и экспрессию генов.

к снижению его положительного заряда (удаляются NH3+ группы) и как

следствие, - к временному отсоединению от гистонов Н2А и Н2В.

в ГЦ последовательностях приводит к конденсации хроматина и репрессии транскрипции.

ДНК-метилазы, действующие на ДНК, до этого не метилированную.
другой класс метилаз действуют на ДНК, образовавшуюся после репликации, одна цепь которой метилирована, а другая нет.

Процессы деацетилирования гистонов и метилирования ДНК являются двойным механизмом подавляющим транскрипцию.

ДНК.
Метилирование ДНК
Изменение степени компактизации хроматина

ДНК-метилазы метилируют

дочернюю цепь после каждого цикла репликации ДНК
Клетки могут формировать специализированные ткани, сохраняя на молекулярном уровне «запись» (химические модификации), которая произошла в течение эмбриогенеза.

матери. Последовательность нуклеотидов в ДНК остается постоянной, тем не менее,

происходит выбор генов, которые будут активны в онтогенезе.

экспрессии генов.
Общие белковые факторы транскрипции и РНК-полимераза связываются

с промотором.
Для достаточного уровня интенсивности синтеза РНК необходимо присоединение специфических факторов транскрипции

С энхансерами (усилителями) связываются белки - активаторы, интенсифицирующие процесс транскрипции.

инсуляторами (изоляторы, разделители)

Репрессоры эукариотических клеток могут подавлять экспрессию

генов несколькими путями:
Некоторые репрессоры блокируют связывание активаторов с ДНК
Другие влияют на белковые факторы и кофакторы аппарата транскрипции.
Репрессоры так же могут связываться с последовательностями ДНК (сайленсеры ), оказывая на транскрипцию ослабляющий эффект.

транскрипцию только тогда, когда
соответствующие белки будут присутствовать в активной

форме
в специфическом типе клеток
в определенное время индивидуального развития организма.

и эти комплексы либо непосредственно связываются с регуляторными последовательностями соответствующих

генов,
либо активируют определенные репрессоры или активаторы транскрипции, тем самым влияя на активность генов.
Считается, что системы регулируемых генов возникли на ранних этапах эволюции путем дупликаций и распределения регуляторных последовательностей в геномах эукариотических клеток.

из одного первичного РНК траскрипта
В результате организм может продуцировать

более чем один белок на основе информации закодированной в одном гене.

бывают мРНК регуляторных белков. реагировать изменением синтеза необходимых белков.

РНК тканеспецифичных белков обычно более стабильны.

на стадии ее инициации.
Присоединение к рибосоме иРНК может

быть блокировано регуляторными протеинами.
Трансляция может активироваться и блокироваться для многих молекул РНК одновременно.

Отщеплении или 2. Присоединении некоторых компонентов
3. Объединении ряда полипептидов

Скорость распада белковых молекул косвенно регулирует экспрессию генов.
Короткоживущими являются регуляторные белки.
Структурные белки имеют гораздо большую продолжительность жизни.
С молекулами короткоживущих белков связываются убиквитин. Помеченные белки затем разрушаются в протеосомах.
Белки с большей продолжительностью жизни разрушаются в лизосомах.

х 10 х 9 п. н. или 3000 Мб и

содержит около 25 - 30 000 генов.
Геномы эукариот кроме кодирующих содержат и некодирующие последовательности ДНК.
Геном человека содержит в 500 – 1500 раз больше пар нуклеотидов чем геном прокариот.
В тоже время число генов увеличилось только в 5 – 15 раз на соответствующую длину ДНК.
Большая часть геномов эукариот содержит некодирующие последовательности (избыточная ДНК) выполняющие важные функции и сохраняющиеся в течение многих поколений.
У эукариот существуют не только
генные, а так же
экстрагеннные нуклеотидных последовательностей ДНК.

мутировавшие нефункционирующие гены - псевдогены),
2. 59%. повторяющаяся ДНК содержит:

44% ДНК-повторов содержат ДНК-транспозоны и связанные с ними последовательности.
15% повторы не связанные с транспозонами.
Эти последовательности возникают в результате
ошибок репликации и рекомбинаци – длинные сегменты по 10 000-300 000 п.н. и менее 15-500 п.н. простые
последовательности тандемно повторяющиеся играют часто структурную роль формируя теломеры и центромеры хромосом – сателлитная ДНК).

24% интроны и другие регуляторные последовательности.

1. 50%. –

единичные гены представлены одной копией на гаплоидный набор хромосом (геном).

2. Вторую половину генома составляют мультигенные семейства – группы идентичных и очень сходных генов.
Некоторые мультигенные семейства состоят из идентичных генов – гистоновые гены, гены рРНК.
Другие – включают неидентичные гены – два семейства генов кодирующих глобины.

Данные геномных проектов используют для анализа генов, мутации которых приводят к болезням человека.

жизни имели минимальное количество генов, необходимых для выживания и размножения.
2.

В процессе эволюции за счет мутаций возрастал объем геномов, что являлось необходимой предпосылкой увеличения разнообразия генов.
3. Это вело к эволюции белков тесно связанных с новыми функциями организмов.
Нарушения нормального протекания мейоза могут приводить:
к одному или нескольким дополнительным хромосомным наборам, которые могут отклоняться от исходного за счет накопления новых мутаций.
неравный кроссинговер в течении мейоза так же могут привести к дупликациям индивидуальных генов.
ошибки репликации в результате смешения матричной цепи ДНК могут приводить к нескольким копиям генов.

происхождение от α-глобин и β-глобин предковых генов существовавших 450-500 миллионов

лет тому назад.
Позже каждый из этих генов многократно дуплицировался и их копии в следствии мутаций отличаются по нуклеотидным последовательностям, формируют мультигенные семейства в 11 и 16 хромосомах.
Сходные аминокислотные последовательности α-глобинов и β-глобинов подтверждают эту модель дупликаций и мутаций генов.

ген кодирующий лизоцим и ген кодирующий α-лактоальбумин.
У птиц найден

только ген лизоцима.
Видимо после дивергенции птиц и млекопитающих от единого предка ген лизоцима дуплицировался и одна из копий в результате мутаций стала кодировать α-лактоальбумин с совершенно иной функцией.

эволюции.
1. Неравный кроссинговер в течении мейоза так же может привести:

к дупликациям экзонов внутри гена,
к изменению позиции экзонов в геноме (возможны случайные комбинации экзонов внутри гена, либо комбинации между неаллельными генами – «перетасовка экзонов»).

Новые комбинации экзонов в гене могут привести к белкам с новыми комбинациями функций.

в геноме может иметь несколько последствий:
перемещение в середину кодирующей

части может нарушить нормальную функцию гена,
встройка в регуляторные последовательности может привести к увеличению или уменьшению синтеза генных продуктов,
во время транспозиции мобильные элементы могут переносить ген или группу генов в новую позицию в геноме,
и наконец мобильные элементы встраиваясь в кодирующую часть гена могут переносить дополнительные экзоны.