Молекулярная генетика презентация

Транскрипция - процесс копирования нуклеотидной последовательности ДНК в последовательность РНК. Фермент РНК -полимераза

Транскрипционная единица (транскриптон) – последователность ДНК, транскрибируемая в одну молекулу РНК.
В состав транскрипционной единицы может входить более одного гена.

Каждый ген состоит из
- регуляторной части
(промотор и терминатор)
Промотор связывается с РНК-полимеразой
- кодирующей части (информация о структуре иРНК)

У прокариот часть фермента РНК-полимеразы называется сигма-фактором.
Он узнает промотор и указывает место связывания РНК-полимеразы с ДНК

Промотор прокариот
РНК-полимераза связывается с доменом Прибнова (ТАТААТ) и начинает расплетаться ДНК. Присутствие азотистых оснований А=Т, имеющих по две водородные связи облегчает разъединение

Терминатор – GC богатый палиндромный участок, за которым идет олиго(Т) последовательность.
Образуется РНК, формирующая шпильку, за которой идет олиго(У), что приводит разрушению связи РНК-ДНК

Одни гены могут транскрибироваться с одной цепи ДНК, другие с комплементарной ей цепи

У эукариот процесс транскрипции сложнее:
1. Для активации РНК-полимеразы необходимы факторы транскрипции
2. Три РНК-полимеразы — I, II, III
3. Наличие регуляторных элементов — это энхансеров (активирующих транскрипцию) и сайленсеров (ослабляющих транскрипцию)

Промотор эукариот
ТАТААА - домен Хогнесса

Типы РНК-полимераз у эукариот
РНК-полимераза-I синтезирует рРНК (в ядрышке)
РНК-полимераза-II ----- мРНК и мяРНК
РНК-полимераза-III ----- тРНК
РНК-полимеразы митохондрий и пластид
У прокариот одна РНК-полимераза

1. 3` ДНК 5` (матричная цепь)
5` РНК 3` по принципу комплементарности 2. Результат:
иРНК или мРНК
рРНК (рибосомальные)
тРНК (транспортные)
Малые ядерные РНК (мяРНК) (процессинг)
Малые интерферирующие РНК (миРНК)
Микро РНК (мкРНК) (регуляция экспрессии)
Транскрипция

рРНК
Хроматиновые петли 13, 14, 15, 21, 22 хромосом образуют ядрышковый организатор

Особенности у прокариот и эукариот

У прокариот ген состоит из экзонов (полицистронный) у эукариот - из экзонов и интронов

Процессинг (созревание РНК) у эукариот
1. Кэпирование – на 5`-конце (7-метилгуанозин)
2. Вырезание интронов и сплайсинг (сшивание) экзонов
3. Полиаденилирование (образование
поли-А-А-А хвоста на 3`-конце)

Кэпирование и полиаденирование

Вырезание интронов с помощью сплазмосом (мяРНК+белок)

Альтернативный сплайсинг
Один ген может давать несколько м-РНК
В РЕЗУЛЬТАТЕ КОМБИНАЦИЙ ЭКЗОНОВ
1 м- РНК ЭКЗОНЫ 123456789
2 м- РНК ЭКЗОНЫ 53628197
У человека около 20000 - 25000 генов
и 90000 белков

Альтернативный сплайсинг:
- выбор различных экзонов из одинаковых иРНК
- использование разных промоторов

Нарушение сплайсинга приводит к серьезным патологиям человека:
- фенилкетонурия:
нарушение сплайсинга 12-го и 13-го экзонов гена фенилаланингидроксилазы;
- талассемия: мутации, нарушающие сплайсинга бетаглобиновых генов

Генетический код —
способ кодирования последовательности аминокислот в белке при помощи последовательности нуклеотидов.
1950-е годы физик Г.А. Гамов

Триплетность — три нуклеотида кодируют одну аминокислоту
Специфичность — каждый триплет кодирует только одну аминокислоту
Вырожденность (избыточность) — каждая аминокислота (кроме метионина и триптофана) кодируется несколькими триплетами ДНК (кодонами РНК)
Свойства генетического кода

Свойства генетического кода
Неперекрываемость — кодоны в мРНК считываются последовательно, при этом один нуклеотид не может быть одновременно в составе двух соседних кодонов
Универсальность — код един для всех живых организмов (за некоторыми исключениями, например ДНК митохондрий)
Стартовый кодон АУГи терминирующие кодоны (стоп-кодоны)
УАА УАГ УГА

Трансляция - перевод последовательности триплетов м-РНК в последовательность аминокислот в белке
Происходит на рибосомах шероховатой ЭПС, полисомах цитоплазмы, в митохондриях и пластидах
Рибосомы состоят из 2-х субъединиц, которые формируются в ядрышке из рРНК и белка
Малые и большие субъединицы рибосом поступают в цитоплазму отдельно друг от друга

Рекогниция — присоединение аминокислоты к т-РНК с в цитоплазме

Трансляция
В качестве матрицы используется м-РНК
Три этапа:
- ИНИЦИАЦИЯ
- ЭЛОНГАЦИЯ
- ТЕРМИНАЦИЯ

1. ИНИЦИАЦИЯ
малая субъединица рибосомы распознает мРНК
(по КЭП, АУГ) и связывается с ней
Мет-тРНК присоединяется своим антикодоном к стартовому кодону АУГ мРНК,
Присоединяется большая субъединица рибосомы и формируются функциональные центры рибосомы

Функциональные центры рибосомы

2. Элонгация
- В АМИНОАЦИЛЬНЫЙ центр рибосомы приходит вторая тРНК и соединяется своим антикодоном со следующим кодоном мРНК
- между аминокислотами образуется пептидная связь (фермент пептидилтрансфераза)
- тРНК уходит из рибосомы
- рибосома перемещается на один кодон дальше по мРНК

3. Терминация
В АМИНОАЦИЛЬНЫЙ центр попадает стоп-кодон УАА, УАГ, УГА
Для него не существует т-РНК с соответствующим антикодоном
Ферменты отщепляют в ПЕПТИДИЛЬНОМ центре готовый полипептид от т-РНК
Рибосома распадается

Регуляция активности генов

Оперон
- это комплекс генов, кодирующих ферменты, входящие в одну функциональную группу или относящиеся к этапам одного биохимического процесса у прокариот
Включает:
1. Структурные гены (цистроны – S1, S2,S3)
2. Промотор (Р) - участок ДНК, распознаваемый РНК-полимеразой
3. Оператор(О) – участок ДНК, к которому присоединяется регуляторный белок
Ген-регулятор(R) отвечает за синтез
регуляторного белка, в состав оперона не входит

Регуляция активности генов
Позитивная: появление фактора(белка) включает транскрипцию
Негативная: появление фактора выключает транскрипцию
O P S1 S2 S3
P O S1 S2 S3
индуктор
репрессор
РНК-полим
РНК-полим

Негативная регуляция
Негативная индукция (лактозный оперон)
Негативная репрессия (триптофановый оперон)

Модель лактозного оперона
Ф.Жакоб-Ж.Моно (1961 г.)
негативная индукция.
1965 г. Нобелевская премия

Триптофановый оперон (негативная репрессия)

Триптофановый оперон

Триптофановый оперон

Особенности регуляции генной активности у эукариот
1. Нет оперонной организации генов (1ген--1регулятор)
2. Один регуляторный фактор для нескольких генов
3. Гормональная регуляция
4. Активация генов энхансеры,
угнетение - сайленсеры
5. Регуляция уровня компактизации хроматина с помощью модификации белков-гистонов, облегчающей доступ ферментов транскрипции к определенным генам
6. Во время деления клетки все гены не активны

Эпигенетика - наука, изучающая механизмы дифференциальной экспрессии генов (не вызывающие изменений в ДНК)

Эпигенетика изучает, как по генетической информации в зиготе за счет различной экспрессии генов может осуществляться развитие многоклеточного организма.
Все клетки организма сначала тотипотентны. Затем они получают сигналы, активирующие различные гены и направляющие их на тот или иной эпигенетический «маршрут».
В дифференцированных клетках экспрессируются только гены, необходимые для их специфической деятельности, они унипотентны.

Примеры эпигенетических изменений
Метилирование ДНК добавление метильных групп к цитозину, за которым следует гуанин
Подавлению экспрессии гена
Модификация гистонов
- метилирование
- ацетилирование
- фосфорилирование
Активация экспресии гена

Предрасположенность к раку легких у курильщиков предположительно связана с метилированием гистоновых белков, инактивирующих гены, ответственные за образование антител

Геномный импринтинг
У эукариот часто состояние экспрессии зависит от того, какой из родителей даёт тот или иной аллель, т.е. имеет ли он материнское или отцовское происхождение.
Механизм:
метилирование ДНК в промоторной области

Пример болезни импринтинга: подавление экспрессии или делеция генов 15-й хромосомы
Синдром Прадера—Вилли изменения в отцовской хромосом
Характеризуется снижением мышечного тонуса, задержкой психического развития, косоглазием и ожирением
Синдром Ангельмана - затронута хромосома матери
характерна более выраженная задержка психического развития, нарушение сна, хаотичность движений

Синдром Прадера—Вилли

Синдром Ангельмана

РНК-интерференция
- особый вид внутриклеточного иммунитета с помощью миРНК. Нобелевская премия 2006 г. Э. Файр и К. Мелло
Малые интерферирующие РНК (миРНК) — двуспиральные РНК, состоящие из 21–23 п.н.
Попадая в клетку, дают сигнал работе ферментам, которые разрезают комплементарную одноцепочечную мРНК. Содержащаяся в этих участках информация не передается рибосомам, трансляция ингибируется.

РНК интерференция

РНК-интерференция может разрушать генетический материал попадающих в клетку вирусов и регулирует экспрессию функциональных генов, блокируя их работу.
Проводятся эксперименты по лечению препаратами на основе миРНК:
- макулодистрофии (патологии сосудов и нарушения питания сетчатки глаза)
- вируса Эбóла, вызывающего геморрагическую лихорадку (опыты на приматах)

Геномика – наука о геномах
Генотип – исторически сложившаяся система взаимодействующих генов диплоидной клетки или организма.
Геном - исторически сложившаяся система взаимодействующих генов гаплоидной клетки или организма.
В ядре клетки содержится 2 генома
- один от матери, другой - от отца.
Геном включает ДНК хромосом и внеядерных структур (митохондрий, пластид и др.)

ГЕНОМИКА – Раздел генетики, посвященный изучению геномов живых организмов.
Геномные проекты: «Геном человека» «Геном дрозофилы»
«Геном кишечной палочки»
«Геном дрожжей» и др.
Всего – около 50

Основная особенность генома эукариот - избыточность
открыли это явление Р.Бриттен и Э.Дэвидсон
У человека более 3 млрд нуклеотидных последовательностей:
1) 20-25 тысяч генов (экзоны)
2) избыточная ДНК:
- интроны
- спейсеры (межгенные участки)

Геном человека
1,0% - 1,5% - экзоны
20% - 25% - интроны
гены, кодирующие различные виды РНК
около 50% - спейсеры
небольшая часть ДНК выполняет структурную функцию (центромеры,теломеры)

Геном человека ( 2000 г.)

Фракции ДНК в геноме
Однокопейная (уникальная) ДНК – в гаплоидном наборе в единственном экземпляре, кодируют белки
Повторяющиеся последовательности ДНК (50%) – многократные повторы

Повторяющиеся последовательности ДНК
Различают два класса:
Тандемно повторяющиеся последовательности ДНК – располагаются друг за другом (голова к хвосту)- кодируют РНК
Диспергированнные повторы ДНК – разбросанные по геному (некодирующие)

Тандемно повторяющиеся последовательности ДНК
Центромерные ДНК (200 -1500 повторов)
Теломерные ДНК (200 -1500 повторов)

Диспергированнные повторы ДНК – являются подвижными генетичскими элементами транспозонами (МЭГ)
Делятся на две группы по длине:
Длинные
Короткие

Формы изменения генома
Мобильные генетические элементы (МЭГ)
Последовательности ДНК, способные к перемещению внутри генома – называются МЭГ или транспозонами или «прыгающими генами»
1948 г. Б. Мак-Клинток, 1983 г. Нобелевская премия

Барбара Мак-Клинток
МЭГ
у кукурузы 85%
у человека 45%
в среднем у эукариот 10-50%
МЭГ могут вставлять себя в любую последовательность
в пределах генома, но покидать клетку не могут.
Передвигаясь с места на место в геномах хозяев МЭГ
являются источником генетического разнообразия.

В составе каждого транспозона закодирован специальный фермент, обеспечивающий его передвижение.

Встраиваясь внутрь обычного гена транспозон нарушает его работу, т.е. вызывает мутацию

Некоторые МЭГ содержат гены, инактивирующие антибиотики
(ампицилин, тетрациклин). Благодаря передвижению этих генов бактерии стали устойчивыми к большому количеству антибиотиков

Цитоплазматическая
наследственность
У ЭУКАРИОТ в цитоплазме имеются ДНК митохондрий и пластид
У ПРОКАРИОТ в цитоплазме имеется
ДНК плазмид

Цитоплазматическая
наследственность эукариот
Митохондриальный геном состоит из кольцевой ДНК и кодирует белки и ферменты, участвующие в клеточном дыхании
Пластидный геном состоит из кольцевой ДНК и кодирует белки и ферменты фотосинтеза

Цитоплазматическая наследственность прокариот
Плазмиды- небольшие двуцепочечные ДНК:
- R-факторы (резистентности) — обуславливают устойчивость к лекарственным препаратам
- F- факторы (половые или плодовитые) - осуществляют конъюгацию бактерий и перенос ДНК