Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Природа гена.
Эволюция представлений о гене.
Ген (от. греч. Genos – род, происхождение) - дискретная единица наследственности, участок молекулы нуклеиновой кислоты, который характеризуется специфической последовательностью нуклеотидов и представляет собой единицу функции, отличной от функций других генов, способный изменяться мутированием.
Геномом называется одинарный полный набор генетического материала организма. В него входят последовательности нуклеотидов ДНК гаплоидного набора хромосом, ДНК митохондрии и хлоропластов.
У гена есть структура и функции.
Структура – это то, из чего состоит и как организован ген, функции – что и как он делает
Термин «ген» предложил датский ученый В. Иогансен 1909г.
Г.Мендель ввел понятие «Наследственный фактор»
На основе точных экспериментов сделал обобщения относительно свойств и поведения их при передачи от родителей потомкам. Эти обобщения легли в основу теории гена.
Свойства наследственных факторов следующие:
Наследственный фактор к началу двадцатого века выступал как условная единица наследственности.
Дальнейшая конкретизация представлений о гене связана с работами школы американского ученого Т.Моргана.
Даказательства локализации генов в хромосоме:
Итак, к концу 20-х годов ХХ века ген представляли как обособленный участок хромосомы, который контролирует один определенный признак, изменяющийся как единое целое и неделимое при кроссинговере.
В 1929 г. А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин экспериментально доказали, что ген не представляет собой единицу мутации, он имеет сложную структуру – состоит из нескольких субъединиц, способных самостоятельно мутировать (ступенчатый аллелизм, или Центровая теория гена).
Эти ученые выявили сложное строение гена у дрозофилы, отвечающего за редукцию щетинок. Задний отдел груди имеет в норме 4 щетинки. Мутации отдельных участков этого сложного гена вызывают отсутствие разных щетинок. Такое явление было названо ступенчатым аллелизмом. На примере различных мутаций этого гена авторами было показано, что ген не всегда мутирует как единое целое: мутации могут затрагивать различные его участки.
Новаторская идея о делимости гена не сразу получила признание среди генетиков, однако множество данных, полученных на различных объектах, в конце концов убедили генетическое сообщество в том, что ген не является единицей мутации и рекомбинации.
Несколько позже идея о сложном строении гена была подкреплена Э. Льюисом, М. Грином и другими учеными, исследовавшими внутригенный кроссинговер на дрозофиле.
Таким образом, ген представляли как участок хромосомы, контролирующий развитие конкретного признака, имеющий определенную линейную протяженность и способный мутировать в разных участках и быть разделенным кроссинговером. Ген комплексен, так как его отдельные участки могут различаться по функциям.
По Менделю 1 ген- 1 признак.
1902год А. Гаррод (английский врач) исследовал
родословные семей с АЛКАПТОНУРИЕЙ. Это болезнь наследуется по аутосомно-
рецессивному типу и связана с нарушением обмена веществ.
Обусловлена врожденной ошибкой метаболизма (пигментация соединительной ткани, артрит, моча черного цвета).
Повреждение одного гена вызывает отсутствие одной биохимической реакции. А так как биохимическая реакция катализируется ферментом то, предположил А.Гаррод, ген предопределяет наличие активного фермента.
В 40х годах XX века Дж. Бидл и Э. Тейтум выдвинули концепцию «1 ген – 1 фермент».
Они использовали новый подход при изучении метаболизма у микроскопического грибка – нейроспоры. Д.Бидл и Э.Тейтум получали мутации, у которых отсутствовала активность того или иного фермента метаболизма. Это приводило к тому, что мутантный гриб был не способен сам синтезировать определенный метаболит и жил только тогда, когда этот метаболит добавляли в питательную среду. Так было сформулировано важнейшее положение биохимической генетики «один ген – один фермент». Это положение означает, что один ген кодирует фермент, катализирующий одну из биохимических реакций.
В последующем она была трансформирована в концепцию «один ген – одна полипептидная цепь».
В синтезе белка гемоглобина участвуют два неаллельных гена. Каждый отвечает за синтез своей полипептидной цепи. В цитоплазме клетки эти цепи объединяются, образуя функциональную структуру гемоглобина – тетрамер.
Белок гемоглобин
2 неаллельных гена
ген I ген β
I- полипептидная β - полипептидная
цепь цепь
(141 аминокислота) (146 аминокислот)
Две I цепи Две β цепи
тетрамер гемоглобина
1 ген – 1 – полипептидная цепь
Доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации
1.
Доказательство роли ДНК в передачи наследственной информации получили Н.Циндер и Дж.Ледерберг. В 1952 г. они описали явление трансдукции. U-образную трубку заполняли жидкой питательной средой и посредине ставили бактериальный фильтр. В левое колено помещали триптофаннесинтезирующий штамм (22А) бактерий мышиного тифа, а в правое – триптофансинтезирующий штамм бактерий дикого типа (2А). В правое колено добавляли бактериофаг (вирус, паразитирующий на бактериях). Через некоторое время в левом колене появлялись триптофансинтезирующие бактерии. Непосредственного контакта между бактериями не было. Роль «переносчика» этого свойства выполнили бактериофаги. Размножаясь в бактериях штамма 2А, они встраивали в свою ДНК частицы ДНК клеток хозяина. Проходя бактериальный фильтр и внедряясь в бактерии штамма 22А, они передавали им участок ДНК, ответственный за синтез триптофана.
Трансдукция – это способность бактериофагов переносить фрагменты ДНК от одного штамма бактерий к другому и передавать соответствующие свойства.
2.
Трансформация – это способность одного штамма бактерий встраивать в свою ДНК участки молекулы ДНК другого штамма и приобретать при этом свойства последнего.
3.
Х.Френкель-Конрат провел опыты (1950г.) с вирусом табачной мозаики (ВТМ). ВТМ состоит из белковой оболочки и РНК. С помощью химических методов удалось разделить вирус на РНК и белок. При введении в листья растений табака белковой части вируса заболевание не развивалось, а при введении РНК на листьях появлялась мозаика. Этот опыт является доказательством того, что нуклеиновые кислоты, а не белки являются носителями генетической информации.
Конец 50-х годов Сеймур Бензер
Ген дискретная единица.
При выполнении основной функции (программирование синтеза белка) ген выступает как целостная единица, изменение которой вызывает перестройку
структуры белковой молекулы.
Эту единицу Бензер назвал цистроном.
Дискретность гена заключается в наличии у него субъединиц.
Единица мутации – мутон.
Единица рекомбинации - рекон
Современные представления о структуре гена, его функционировании, регуляции его активности складывалось во второй половине ХХ века. Важными вехами на этом пути стали:
- открытие двухспиральной структуры ДНК;
- выделение РНК и выяснение ее роли в передаче наследственной информации от ДНК к РНК и белку;
- расшифровка генетического кода.
Ген – это определенный участок молекулы ДНК, состоящий их нескольких тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией. Однако функционально он представляет единое целое.
Геном вирусов.
Генетический материал вирусов представлен одной молекулой нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК), окруженной защитной белковой оболочкой – капсидом.
Вирусы
РНК содержащие ДНК содержащие
~3000-7000 ДНК фага Т4 – 180*10³п.н.
нуклеотидов и кодирует более 40 белков.
Крупные молекулы ДНК компактно упакованы внутри капсида благодаря суперсперилизации.
Вирусы - внутриклеточные паразиты.
Варианты развития вируса в клетке:
Структура гена вирусов.
Вирусы
Одноцепочечная Двуцепочечная Одноцепочечная Двуцепочечная
РНК РНК ДНК ДНК
(представляют собой
вариант соединенных
цепей без расхождения
после синтеза второй цепи)
линейные и кольцевые
формы ДНК
РНК – содержащие вирусы
Для вирусов характерно явление «перекрывающихся генов» – «ген в гене» (1977г. Ф. Сэнджер)
Такая организация генетического материала позволяет экономно использовать небольшие информационные возможности генома. Однако она имеет свои ограничения, поскольку одна мутация может «выключить» сразу два или более генов.
РНК – вирусы могут встроиться в молекулу ДНК хозяина только с помощью фермента, получившего название обратной транскриптазы. После проникновения вируса в клетку, обратная транскриптаза осуществляет синтез сначала одноцепочечной комплементарной ДНК, а затем по ее матрице – двухцепочечной ДНК-копии. Затем ДНК-копия вирусного РНК-генома встраивается в хромосомную ДНК клетки хозяина, вместе с ней транскрибируется, а затем транслируется с образованием вирусных белков.
Геном прокариот
представлен одной кольцевой молекулой ДНК, формирующей компактную структуру нуклеоида посредством суперспирализации
Плазмиды бактерий.
Небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные:
Плазмиды не способны разрушать клетку – хозяина.
Структура гена прокариот.
Главная особенность организации генома прокариот - это их объединение в группы или кластеры.
Все сцепленные гены кластера кодируют ферменты одного биосинтетического пути и транскрибируются на общую молекулу м-РНК.
Такая м-РНК называется ПОЛИЦИСТРОННОЙ
Только некоторые гены бактерий транскрибируются индивидуально. Их м-РНК называется МОНОЦИСТРОННОЙ
Большинство генов бактерий представлены непрерывными участками ДНК, вся информация которой используется при синтезе полипептида.
Схема регуляции генов у прокариот была предложена Ф.Жакобом и Ж.Моно в 1961г. На примере лактозного оперона.
Группа структурных генов, управляемая одним геном - оператором, образует оперон. В состав оперона входит небольшой участок ДНК (промотор).
Структурные гены кодируют ферменты, участвующие в реакциях метаболизма.
Промотор – небольшой участок ДНК – место первичного прикрепления РНК-полимеразы - фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого синтеза и-РНК, т.е. синтез м-РНК может начинаться только в определенных участках молекулы ДНК – промотора.
Ген-регулятор, находящийся обычно на некотором расстоянии от оперона постоянно активен и на основе его информации синтезируется особый белок – репрессор. Последний обладает способностью блокировать ген-оператор, вступая с ним в химическое взаимодействие. После чего считывание информации со структурных генов не происходит, т.е. оперон не работает.
Ген – оператор – это участок ДНК, к которому присоединяется белок-репрессор, блокирующий синтез РНК со структурных генов.
При поступлении в клетку индуктора ( вещество, которое расщепляется под действием ферментов, закодированных в данном опероне) происходит его связывание с белком- репрессором и освобождается ген-оператор. РНК-полимераза разрывает связи между двумя цепочками ДНК оперона, начиная с промотора, и по принципу комплементарности информация со структурных генов переписывается на и-РНК. Затем и-РНК перемещается на рибосомы, где синтезируются ферменты, разлагающие индуктор. Когда последние молекулы индуктора будут разрушены, освобождается белок-репрессор, который снова блокирует ген-оператор. Работа оперона прекращается, а при поступлении индуктора опять возобновляется. Для каждого оперона имеется свой специфический индуктор.
Гены и их структура.
Собственно информация о структуре белков и РНК записана в участках ДНК, называемые генами и цистронами.
Ген- это участок ДНК, кодирующий один белок.
Цистрон же – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь. Т.о., если белок состоит из нескольких разных полипептидных цепей (субъединиц), то его ген включает несколько цистронов.
Хромосомы содержат гены всех белков организма, гены РНК (4 вида рибосомных РНК и несколько десятков т-РНК)
Общая совокупность генов, определяющих наследственную информацию организма, называется – геномом.
Геномом называется одинарный полный набор генетического материала организма. В него входят последовательности нуклеотидов ДНК гаплоидного набора хромосом, ДНК митохондрий и хлоропластов.
Классификация генов.
Наиболее распространенные типы регуляторных генов
Промоторы (к ним присоединяются РНК – полимераза, чтобы начать транскрипцию).
Терминаторы (на таких участках РНК – полимераза заканчивает транскрипцию).
Операторы (к ним присоединяются белки – репрессоры, включающие работу РНК - полимеразы).
Энхансеры (усиливать) участки ДНК, к которым присоединяются особые белки, изменяющие скорость транскрипции и тем самым скорость синтеза соотносимых белком.
Сайленсеры (заглушать) или это последовательность ДНК, расположенные в тысячах пар нуклеотидов от промотора эукариотического гена и оказывающие дистанционное влияние на его транскрипцию.
3. По влиянию на физиологические процессы клетки
Отделы ДНК:
Между генами находится некодирующие последовательности - СПЕЙСЕРЫ
Функциональная роль спейсеров:
2. Служат специфическими локусами связывания определенных белков:
При этом участки связывания РНК-полимеразы (фермента, синтезирующего РНК на ДНК) называются промоторами. Они либо вплотную примыкают к началу гена (или группы генов), либо отделены от гена какими-либо другими функциональными локусами. Характерный компонент промоторов у кишечной палочки – бокс Прибнова:
- ТАТААТ -
- АТАТТА -
Он находится за 15 н.п. от стартовой точки транскрипции. Общая же протяженность промотора – несколько десятков н.п.
В случае эукариот промотор – более сложное понятие, поскольку РНК-полимераза связывается с ДНК не непосредственно, а лишь вместе с комплексом других белков – т.н. общих факторов транскрипции. В промоторе эукариот различают небольшую область инициации, ТАТА-бокс (сходный с боксом Прибнова у бактерий) и ряд других типичных участков. У эукариот регуляцию «прочтения» генов осуществляют не только белки-репрессоры, но и белки-активаторы – т.н. транскрипционные факторы. К последним относятся уже упоминавшиеся общие факторы транскрипции, необходимые для связывания РНК-полимеразы с промотором. Эти факторы имеются во всех клетках и необходимы для «прочтения» любого функционирующего гена.
Другие транскрипционные факторы повышают активность только определенных генов, и локусы ДНК, связывающие такие факторы, называются энхансерами. Энхансеры могут располагаться достаточно далеко от регулируемого гена: на расстоянии нескольких тысяч нуклеотидных пар.
Как же связывание с ними транскрипционных факторов может стимулировать активность гена?
Видимо, дело в сложной пространственной организации ДНК. Последняя образует петли, благодаря чему энхансеры сближаются с промоторной зоной и связанные с ними факторы влияют на активность транскрипционного комплекса.
Причем, для некоторых ключевых генов в клетке имеется сразу несколько энхансеров, достаточно удаленных друг от друга. Следовательно, все они в результате изгибов ДНК должны собираться примерно в одном месте пространства.
Энхансеры - усилители транскрипции – обладают следующими свойствами:
- могут находиться как в 5, так и в 3 – областях, а также в интронах и даже на значительном расстоянии 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 – являются негативными элементами по отношению к транскрипции. Они так же, как и энхансеры могут оказывать свое действие на большом расстоянии от гена и при разной ориентации по отношению к нему.
3. В ДНК могут содержаться короткие локусы, служащие сигналами об окончании транскрипции ДНК (терминаторы). У бактерий в ряде случаев участки с такой функцией находятся перед группой совместно регулируемых генов. Это т.н. аттенюаторы. Терминирующие же участки, располагающиеся после генов, называются терминаторами. В одних условиях транскрипция прекращается на аттенюаторе (гены не считываются), а в других условиях – на терминаторе (гены прочитываются ).
Мозаичную структуру эукариотных генов открыли в 1977 году группой ученых, возглавляемых американскими исследователями Ричардом Робертсом и Филиппом Шарпом.
Эукариотические гены имеют мозаичную структуру и состоят из кодирующих участков – экзонов и расположенных между ними некодирующих областей – интронов. При транскрипции ДНК считывается целиком, а затем образовавшаяся пре-мРНК подвергается созреванию (процессингу): участки РНК транскрибированные с интронов, вырезаются, а участки РНК, синтезированные на экзонах, сшиваются (сплайсинг)
Как работает ген, состоящий из мозаики экзонов и интронов?
СПЕОЛДРЛАСИТЬЦЙСИИТБЦНГОРЛЮ!
СПЛАЙСИНГ
(с английского соединение)
Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс
Альтернативный
Один ген - множество белков.
Пути стыковки экзонов, принадлежащих одному гену, могут быть множественными.
Некоторые экзоны могут удаляться вместе с интроном.
Альтернативный сплайсинг приводит к тому, что один и тот же ген кодирует целое семейство структурно схожих, но функционально разных белков.
Ген дрозофилы, кодирующий один из белков рецептора аксона, за счет альтернативного сплайсинга может привести к образованию
38016 различных информационных РНК.
Этот ген содержит 95 альтернативных экзонов.
74% генов человека работает с помощью альтернативного сплайсинга.
Явление альтернативного сплайсинга в корне изменило представление о гене, как единице наследственности, кодирующей только одну полипептидную цепь. Вот почему в современной генетической литературе нет единого общепринятого определения термина «ген»
Ген (эукариотический) – это длинная и преимущественно случайная некодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены участки (экзоны), способные после вырезания из транскрипта этого гена и объединения в строго определенной очередности кодировать определенную функцию
Структурный ген – это участок ДНК и РНК (у некоторых вирусов), определяющий линейную последовательность полипептидной цепи или одной молекулы тРНК или рРНК. За счет разных рамок считывания, альтернативного сплайсинга и различных промоторов с одного гена могут быть транскрибированы несколько мРНК, выполняющих сходные или различные функции.