ЛЕКЦИЯ №2-3

ГОУ ВПО СОГМА Росздрава
Доцент Гетоева Залина Казбековна

ДНК, как носитель генетической информации: строение, свойства, принципы кодирования, репликации,

мутирования, репарации и компактизации в клетке;
- ген: представления об организации и функционировании;
- этапы реализации генетической информации;
- многообразие и классификация генов человека;
- принципы формирования хромосомы, морфология хромосом, кариотип;
- механизмы постоянства числа хромосом и равномерность передачи
генетической информации при делении клеток и размножении
организмов.

3. Общая характеристика генома человека.

- размеры, состав и топография элементов генома;
- сранительная характеристика ядерного и митохондриального геномов
- многообразие нуклеотидных последовательностей.

как само определение понятия «геном», так и представления о принципах

его организации и функционирования у различных биологических объектов. ГЕНОМ - это полный набор генетической информации любой биологической системы (таксона, вида, организма, клетки); - это качественный набор генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом клеток определенного биологического вида; - это вся совокупность нуклеотидных последовательностей клетки определенного биологического вида; - это полный состав ДНК организма (его клетки), включая всю совокупность генов и межгенных участков, содержащий полный набор инструкций для формирования и функционирования организма на всех стадиях его онтогенеза.

генетики и молекулярной медицины, изучающая общие закономерности организации и функционирования

геномов различных биологических систем и индивидуальные особенности геномов отдельных организмов.

Основные методы геномики:
секвенирование, картирование и идентификация
генов и внегенных элементов генома.

последовательность нуклеотидов в геноме, определяет границы и тонкую структуру генов,

межгенных участков и других структурных элементов генома, т.е. составляет физические и транскриптные карты организма;

Функциональная геномика, или Протеомика, исследует фенотипические проявления каждого участка генома и каждого гена, их взаимодействие с другими компонентами клетки (полипептидами, протеинами, сложными белками и белковыми ансамблями);

Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов с целью изучения общих закономерностей их строения и функционирования;

Эволюционная геномика выясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического и биологическогоразнообразия, уточняет нюансы расообразования, этногенеза, миграции населения и эволюции наследственной патологии человека;

Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знаний геномов человека и патогенных для него организмов – вопросы генодиагностики, генотерапии и т.д.

компонентов нуклеотида, нуклеотидов, кодонов, частей гена, отдельных генов, межгенных и

регуляторных последовательностей до сложных комплексов генов, локусов и плеч хромосом, хромосом и целых хромосомных наборов, включая так же элементы внехромосомной и внеядерной ДНК.

принципы кодирования, репликации, мутирования, репарации, реализации и компактизации
генетической

информации.

человека,
может существовать в нескольких формах: А, В,

С, Д, Е , Z.

Z-форма: зигзагообразная, с
чередованием право- и левозакрученных участков, обнаруживается в условиях
высокой концентрации солей, участвует в регуляции экспрессии генов и рекомбинации ДНК.

А-форма выявляется в более обезвоженных средах
и при низком содержании ионов калия и натрия

молекулы ДНК имеет вид правозакрученной спирали, состоящей из 2-х закрученных

вокруг воображаемой центральной оси полинуклеотидных цепей, соединенных между собой по принципам:
комплементарности и антипараллельности.

Адениловый, Тимидиновый, Цитозиновый, Гуаниновый


Дезоксирибонуклеотид:
- остаток фосфорной кислоты,
- 5-ти углеродный

сахар
(2-дезоксирибозу),
азотистое основание


Азотистые основания:

Пуриновые – Аденин, Гуанин Пиримидиновые – Тимин, Цитозин


Нуклеозид :
соединение азотистого основания
с дезоксирибозой

– 3 связь
Полинуклеотидная цепь – полярна:
5 - фосфатный конец
3 –

гидроксильный конец


Полинуклеотидная цепь - сахарофосфатный остов, на котором сидят азотистые основания,
число, состав и порядок расположения
которых уникален для каждой молекулы

между
строго определенными нуклеотидами или их аналогами - А-Т, А-У,

Г-Ц.
Антипараллельности – противоположное направление 3-5 связей в комплементарных цепях.

Связи:
водородные - пурин-пиримидиновые пары А=Т, Г=Ц,
гидрофобные взаимодействия

Спирализация:
самопроизвольная, право закрученная
за счет смещения одной пары нуклеотидов относительно следующей
на 36 о

информацию, используя для этого язык в виде последовательности нуклеотидов –

генетической код.

б. Способна к самоудвоению – репликации.

в. Способна изменяться самопроизвольно или под действием факторов внутренней среды организма и окружающей среды.

г. Способна к репарации – исправлению части возникающих изменений и восстановлению целостности структуры.

д. Способна изменять степень своей компактизации, или спирализации.

е. Служит матрицей в процессах реализации генетической информации.

ж. Обеспечивает передачу генетической информации в процессе клеточного деления и размножения организмов.

пептидов, полипептидов и белков организма.


Генетический код –
это система записи

генетической информации
на молекуле ДНК в виде последовательности нуклеотидов.



Сущность генетического кода была полностью раскрыта группой молекулярных биологов под руководством профессора Георгия Гамова в лаборатории Ниренберга
(США, Национальный институт здоровья, 1965 г. )

а. Кодирование генетической информации

3-х следующих друг за другом нуклеотидов:
триплетов ДНК (или кодонов иРНК).
Код

включает 64 триплета (или кодона иРНК).

Однозначность, или специфичность:
триплет имеет только один биологический смысл.
3 – некодирующие
выполняют функцию точек окончания информации,
называются также стоп-триплетами, или триплетами терминации:
АТТ (УАА), АТЦ (УАГ ), АЦТ (УГА)

61 – кодирующие
выполняют функцию кодирования 20 аминокислот.
1 триплет = 1 аминокислота
Уникальные триплеты - в единственном числе кодируют аминокислоты и одновременно являющиеся стартовыми триплетами, т.е. запускающими синтез белка.
ТАЦ (АУГ) - метионин и АЦЦ (УГГ) - триптофан

триплетов ДНК, или кодонов иРНК, называемых триплетами (кодонами)-синонимами, различающимися между

собой составом третьего, реже – первого нуклеотида.
Фенилаланин: Глицин: Лейцин:
ААА (УУУ) ЦЦА (ГГУ) ААТ (УУА)
ААГ (УУЦ) ЦЦГ (ГГЦ) ААЦ (УУГ)
ЦЦТ (ГГА) ГАА (ЦУУ)
ЦЦЦ (ГГГ) ГАГ (ЦУЦ)
ГАТ (ЦУА)
ГАЦ (ЦУГ)

Универсальность:
у всех живых организмов на Земле одни и те же триплеты ДНК кодируют одинаковые аминокислоты.
Исключения имеются в коде митохондрий.

триплета все последующие триплеты считываются без остановок до точки терминации.


Неперекрываемость:
триплеты

считываются последовательно и каждый нуклеотид может входить в состав только одного триплета.


Колинеарность:
последовательность аминокислот в белке или полипептиде строго соответствует последовательности триплетов нуклеотидов в кодирующем этот пептид фрагменте ДНК.

в синтетическом периоде интерфазы митотического (клеточного) цикла при участиии специальных

ферментов. по полуконсервативному механизму на основе реакций матричного синтеза, когда каждая из цепей материнской молекулы ДНК служит матрицей для сборки новой (дочерней ) цепи. Из одной молекулы ДНК образуются две идентичные молекулы, каждая из которых содержит старую (материнскую) и новую (дочернюю) цепи. Количество ДНК в клетке удваивается, а качество заключенной в ней информации не меняется.

между комплементарными азотистыми основаниями, разделение цепей и формирование репликативной вилки

(фермент – геликаза);
Удержание молекулы ДНК в одноцепочечном состоянии (ДНК-дестабилизирующие белки - SSB);
Сборка новых цепей на матрицах материнских (ферменты – РНК-полимеразы или праймазы, ДНК-полимеразы I, II и III):
- непрерывно на матрице лидирующей материнской цепи с направлением фосфодиэфирных связей от 3 к 5 концу с использованием одной РНК-затравки, или праймера, и ферментов РНК-полимеразы и ДНК – полимеразы I.
- фрагментарно на матрице отстающей материнской цепи с направлением фосфодиэфирных связей от 5 к 3 концу в виде относительно коротких участков длиной 1000-2000 нуклеотидов – фрагментов Оказаки, с использованием для каждого фрагмента собственной РНК-затравки, РНК-полимераз, ДНК-полимеразы II
5. Деградация и удаление РНК-затравок и сшивание фрагментов Оказаки между собой (ДНК-полимераза I, ДНК-лигаза).

мест репликации – репликонов, т.е. полирепликонна. 3. Реплиация каждой молекулы ДНК

происходит до тех пор, пока соседние репликоны не соединятся. 4. Разные молекулы ДНК реплицируются в разное время, с разной скоростью и в разной последовательности. 5. К концу S-периода вся ДНК клетки должна удвоиться.

Особенности репликации ДНК у человека:

организмов.

Изменения, происходящие на уровня ДНК, условно принято делить на: полиморфизмы,

вариации, предмутации и мутации.

Полиморфизмы – изменения, происходящие на уровне некодирующих последовательностей ДНК.

Вариации - изменения, происходящие на уровне факультативных последовательностей ДНК.

Предмутации – изменения, происходящие на уровне кодирующих последовательностей ДНК, но затрагивающие лишь одну из ее цепей.

Мутации (истинные) – это изменения генетической информации, затрагивающие обе цепи ДНК, приводящие к появлению новых вариантов генов (аллелей) и новых вариантов фенотипических признаков.

репарации, т.е. являются ошибками репликации, ошибками рекомбинации и ошибками репарации.
Изменения

в ДНК могут возникать спонтанно (т.е. на фоне относительно нормального функционирования организма при нормальных условиях внешней и внутренней среды) или индуцированно (т.е. под действием вредных мутагенных факторов внешней или внутренней среды).
Мутагенные факторы могут иметь физическую, химическую или биологическую природу.
Эффект мутагенов, риск и частота возникновения мутаций зависят не только от вида мутагена, его мутагенной активности, дозы и продолжительности воздействия, но и от эффективности работы генетически детерминированной системы детоксикации организма.
Возникающие в ДНК изменения могут носить преходящий характер и восстанавливаться , либо быть стойкими.
Изменения генетической информации - основа генетического полиморфизма вида, генетической уникальности индивида, наследственной патологии, наследственной предрасположенности, канцерогенеза и некоторых иных форм патологии человека.

молекулярной гетерозиготности, или предмутации, при которых изменения затрагивают лишь одну

из цепей молекулы ДНК.

Различают несколько основных механизмов репарации ДНК:

Фотореактивация.

2. Темновая, или эксцизионная репарация.

3. Пострепликативная (рекомбинационная) репарация.

4. SOS – репарация.

димеров (Т=Т), возникающих в ДНК клеток, подвергнутых УФ-излучению.; обеспечивается светозависимым

фотореактивирующим ферментом, который расщепляет тиминовые димеры.
Темновая, или эксцизионная репарация – не нуждается
в энергии видимого света, осуществляется за счет действия ферментов
(эндонуклеаза, экзонуклеаза, или рестриктаза, ДНК-полимераза, лигаза), поэтапно: выстригание измененного участка цепи, синтез фрагмента на матрице нормальной цепи, сшивание восстановленного фрагмента с остальной цепью.
Пострепликационная, или рекомбинационная репарация – осуществляется в синтетическом периоде интерфазы митотического цикла клетки и заключается в том, что участки ДНК, имеющие тиминовые димеры не реплицируются, оставляя бреши на комплементарной цепи молекуля ДНК, которые восстанавливаются (т.е. достраиваются) в ходе премитотического периода с соблюдением принципов комплементарности к участку здоровой цепи.
SOS-репарация - механизм восстановления крупных брешей в цепи ДНК без соблюдения принципа комплементарности в целях сохранения целостности молекулы.

компактизации, или спирализации,
на разных фазах митотического цикла клетки ДНК

приобретает
разные переходящие друг в друга формы структурной организации:
на стадии интерфазы – хроматиновую, а стадии митоза - хромосомную.

Хроматин – дезоксирибонуклеопротеидный комплекс, в составе которого ДНК относительно деспирализована, доступна для ферментов, обеспечивающих считывание заключенной в ней информации.

Хромосомы – дезоксирибонуклеопротеидные структуры, в составе которых ДНК максимально спирализована и компактна, что обеспечивает возможность ее равномерного распределения между дочерними клетками.


ИНТЕРФАЗА МИТОЗ

ХРОМАТИН ХРОМОСОМЫ

хроматиновая фибрилла
3 уровень
петельные домены
Эухроматин
Гетерохроматин
Факультативный

Конститутивный

хромосому.

Митотическая хромосома состоит из 2-х хроматид.

Каждая хроматида – 1 молекула

ДНК.

Хроматиды 1 хромосомы – 2 идентичные молекулы ДНК, образовавшиеся в результате репликации.

Число хромосом в клетке равно числу молекул ДНК в ней.

Разные хромосомы различаются по форме, длине,
количеству, набору и порядку расположения генов.

набор вида Homo sapiens содержит 23 пары хромосом.

В соматических клетках

человека хромосомный набор
парный (диплоидный – 2n), в половых – одинарный (гаплоидный - n).

Хромосомы одной пары одинаковы по размерам, форме, набору и порядку расположения генов, называются гомологичными, а не идентичными, поскольку имеют разное происхождение (1 – отцовская, 2 - материнская), а следовательно – разный набор аллелей генов.
Гомозиготность
Гетерозиготность

Кариотип – характеристика видовая, поддерживается постоянным в ряду поколений клеток и организмов благодаря механизмам митоза, мейоза и оплодотворения (при половом размножении).

Кариотип – это совокупность
хромосом клеток определенного биологического вида

(США) – 1966г.
Группа А: 1– 3 пары аутосом
самые большие мета-

и субметацентрики

Группа В: 4 - 5 пары аутосом
большие субметацентрики

Группа С: 6-12 пары аутосом+ Х-хромосома
средние субметацентрики

Группа D: 13-15 пары аутосом
большие акроцентрики

Группа Е: 16-18 пары аутосом
малые субметацентрики

Группа F:19-20 пары аутосом
малые метацентрики

Группа G: 21-22 пары аутосом + У-хромосома:
малые акроцентрики

Вдоль веретена деления
располагаются
биваленты
Расходятся целые
гомологичные хромосомы

Образуются незрелые
половые клетки с

n числом
2-хроматидных хромосом

Происходит II деление –
митоз

ж. Способность обеспечивать равномерность
передачи генетической информации
в процессах клеточного деления и размножения организмов

генетической информации - это сложный неоднозначный процесс, в осуществлении которого

принимают участие:
фрагменты молекулы ДНК – гены (гены белков, гены рРНК, гены тРНК),
источники энергии (АТФ, ГТФ),
предшественники рибонуклеотидов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ),
рибосомы, разнообразные тРНК,
многочисленные ферменты, специфические факторы контроля и регуляции, аминокислоты, витамины, ионы металлов и т.д.

Фрагмент спирали ДНК

Рибосома

Аминоацил-тРНК
комплекс

это участок молекулы ДНК, представляющий собой определенную последовательность определенного числа

нуклеотидов, которая содержит информацию о возможности формирования определенного признака и определенной функции в организме или обеспечивает возможность реализации информации с другого гена.

Ген – это определенная (прерывистая или непрерывная) последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая информацию об определенном продукте (полипептиде, рРНК, тРНК), ассоциированная с регуляторными последовательностями, взаимодействующая с белками-регуляторами и обеспечивающая возможность формирования признака в организме.

цепь ДНК )
- Большинство генов человека имеет интрон-экзонную структуру.
- Каждый

ген имеет определенное количество интронов и экзонов.
- Количество и размеры интронов и экзонов у разных генов различны.
- Суммарные размеры интронов значительно превышают размеры экзонов.
- Каждый ген начинается и заканчивается экзонами.
- На границе экзонов и интронов располагается консенсусная, т.е. эволюционно консервативная последовательность, которая
распознается ферментами сплайсинга, осуществляющими вырезание интронов из первичного РНК-транскрипта.

несколько этапов,
часть из которых происходит в ядре, а часть

– в цитоплазме:

В ядре: Транскрипция
Инициация
Элонгация
Терминация

Посттранскрипционный
процессинг

Сплайсинг

Транспорт иРНК из ядра в цитоплазму

В цитоплазме: Трансляция
Инициация
Элонгация
Терминация

Посттрансляционные
преобразования

более
30 000 генов.

Не содержащие интронов

2. По размерам:
Малые Средние Большие Гигантские Супергигантсткие

100 – 5000 5000 – 50 000 50 000-150 000 200 000 – 1 000 000 более 1 000 000
пар нуклеотидов

3. По локализации в хромосоме:
Одиночные Сгруппированные
разделены спейсерами кластеры
(группа последовательно расположенных генов,
занимающих определенный район ДНК или хромосомы,
кластер α-глобиновых и β-глобиновых генов)
супергены
(кластер из большого числа генов, кодирующих
функционально или родственно-связанные белки,
расположенные в сегментах некоторых хромосом,
суперген HLA комплекса)
семейства генов
(группа эволюционно родственных генов,
кодирующих продукты с близкими функциями, могут
располагаться в разных частях генома,
семейство глобиновых генов – α, β, γ, δ, ε, ζ –глобины)

Гены «роскоши»
«house keeping gens» «luxury gens»

десятки и сотни копий единицы копий

кодируют общеклеточные кодируют тканеспецифические
структуры и функции структуры и функции


работают в большинстве клеток работают в определенных клетках
и постоянно на определенных этапах онтогенеза

5. По состоянию активности:

Активные Неактивные
(транскрибируемые, (нетранскрибируемые,
экспрессирующиеся) неэкспрессирующиеся)
Псевдогены

С неизвестной функцией

Гены тРНК Регуляторы активности других генов
Гены рРНК (промоторы, энхарсеры, сайленсеры, мутаторы)
Гены белков Регуляторы онтогенеза
Регуляторы клеточного размножения (протоонкогены)

- ферментов (более 30%)
- модуляторов белковых функций
(активаторов, стабилизаторов, конформаторов и т.д.)
- гистонов и трансрипционных факторов
- белков внутри- и внеклеточного матрикса
- трансмембранных переносчиков и каналов
- клеточных сигналов, олигопептидов, гормонов
- экстраклеточных переносчиков
- иммуноглобулинов

организма.

Размеры генома оцениваются по весу и по длине.

Вес суммарной ДНК

из одной диплоидной соматической клетки человека составляет
6 пикограммов (пк), т.е. 6*10 грамма.

Длина генома измеряется:
в метрических единицах - ангстремах, миллиметрах, сантиметрах, метрах;
по числу точек кроссинговера - в морганидах или сантиморганидах;
по числу пар оснований или нуклеотидов- в базах, килобазах, мегабазах.
1 сМ=1Мб=1 млн. п.о.

Длина полнстью деспирализованной суммарной ДНК
из одной диплоидной соматической клетки человека составляет
110 см, 6.4 * 10 п.о. или 6400 Мб или 6400 сМ

элементы представляют собой разнообразные по длине, но всегда более короткие,

линейные или кольцевые по форме фрагменты собственной ДНК клетки в виде амплифицированных онкогенов и генов устойчивости к ядам, лекарственным препаратам и антиметаболитам, или ДНК эндосимбионтов в виде плазмид, эписом и вирусных хромосом, которые могут локализоваться в ядре или цитоплазме.

Хромосомные элементы – это последовательности ДНК, организованные в отдельные постоянные и обязательные структуры клетки – хромосомы.

Геном человека включает 25 хромосом, из которых:
22 - Аутосомы, 1 - Х-хромосома, 1 - Y-хромосома, 1 - М-хромосома.

и мобильные его элементы.
Облигатные элементы генома – это тот объем

нуклеотидных последовательностей, состав, количество и локализация которых обязательны и постоянны для всех представителей определенного вида живых организмов и которые необходимы и достаточны для формирования присущего этому виду фенотипа.
Факультативные элементы генома – это такие послеодовательности нуклеотидов, количество, положение и сам факт наличия которых не является строго обязательным и постоянным для особей данного биологического вида (те же ампликоы, плазмиды, эписомы, вирусные хромосомы).
Мобильные элементы генома – это последовательности ДНК, топография и количество которых может варьировать в разных представителей одного вида, а также в разных тканях и разных клетках одного организма. Их называют транспозонами и они могут перемещаться из одних участков генома в другие

митохондриальный (мтДНК).
Митохондриальный геном – 95% всей ДНК клетки, совокупность копий

М-хромосомы (порядка 10 000).
Ядерный геном – 5% всей ДНК клетки, совокупность ядерных хромосом.

Состав ядерного генома клеток человека

Из общего числа Х-хромосом в клетке активна только она.
Все остальные – формируют тельце Х-полового хроматина.

Повторяющиеся

70-75% 25-30%

низко- средне- высоко-
5% 15% 10%


1-10 10 – несколько 100 100 - несколько 1000 десятки и сотни 1000 копий

SINE-повторы а-сателлитная (альфоидная ДНК)
Alu-повторы минисателлитная
LINE –повторы микросателлитная

Нуклеотидные последовательности

Некодирующие
2% 98%

уникальные и низко повторяющиеся умеренно- и высоко повторяющиеся
последовательности последовательности


экзоны структурных генов интроны структурных генов
спейсеры
регуляторные гены
последовательности околоцентромерных
и теломерных районов хромосом

Нуклеотидные последовательности