Молекулярна генетика - студопедія

На будь-якому з етапів експресії можливий вплив зовнішніх або внутрішніх факторів, тому ознака може не проявлятися у фенотипі.

За локалізацією в клітці розрізняють два види генів: ядерні та цитоплазматичні (плазмагени) .Вони забезпечують, відповідно, два види спадковості. Ядерна (хромосомна) спадковість забезпечується генами, які розташовуються в хроматині ядра. Це основний вид спадковості, його характеристика дана в положеннях хромосомної теорії Т.Моргана (1933р.). Цитоплазматична спадковість забезпечується генами, які у цитоплазмі яйцеклітини (тільки материнським організмом), так як в процесі запліднення від батьківського організму потомство успадковує тільки чоловічий пронуклеус. Сукупність усіх спадкових задатків цитоплазми називається плазмагенов.

Розрізняють два види плазмагенов: 1) плазмагени органел, що містять ДНК, і 2) плазмагени інфекційних агентів і симбіонтів клітини. ДНК-містять органеллами є мітохондрії і пластиди. Їх плазмагени забезпечують мітохондріальну і пластидних спадковість. Прикладом мітохондріальної спадковості у людини є атрофія зорового нерва (синдром Лебера - гостра втрата центрального зору) і роздвоєння хребта. Прикладом пластидної спадковості є ряболисті рослин; стерильність пилку кукурудзи. Другий вид плазмагенов - плазміди і віруси. Плазміди - це нехромосомной генетичний матеріал бактерій, представлений невеликими кільцеподібними молекулами ДНК (додаткова молекула ДНК в цитоплазмі). У них знаходяться гени, що кодують власні токсини, а також стійкість бактерій до певних антибіотиків та інших лікарських речовин.

У тварин зі стадним способом життя і турботою про потомство існує ще один вид спадковості, яка не забезпечується ДНК - сигнальна. Вона визначає тільки функціональну спадкоємність між поколіннями, що проявляється в копіюванні поведінкових реакцій батьків їх потомством. Механізм сигнальної спадковості полягає в передачі готових умовних рефлексів і їх комплексів (звичок), в тому числі і шкідливих (куріння). Значення - швидка адаптація потомства в певних умовах середовища.

Структурною одиницею спадковості є ген. Ген - сукупність сегментів ДНК, які обумовлюють синтез молекули РНК або білкового продукту. Відповідно до сучасних уявлень, ген являє собою сукупність декількох сегментів (відрізків) ДНК, а не один безперервний її фрагмент. Ген має такі властивості. дискретність, специфічність дії, експресивність, пенетрантність, аллельному стан.

Дискретність (дробность) означає, що ген у своїй активності відокремлений від дії інших генів, він визначає формування окремої ознаки або властивості організмів даного виду. Дія гена може бути змінено його положенням на хромосомі (ефект положення) або впливом різних факторів зовнішнього і внутрішнього середовища. Дискретністю визначається незалежне успадкування генів і незалежне комбінування окремих ознак в фенотипі, мутації генів.

Специфічність дії проявляється в тому, що конкретний ген контролює розвиток конкретного ознаки. Однак в деяких випадках один ген може детермінувати синтез не одного, а декількох поліпептидів, що призводить до множинного (плейотропний) дії гена.

Експресивність - різна ступінь вираженості ознаки в фенотипі при одному і тому ж генотипі (ступінь вираженості додаткових пальців при полідактилії; різна ступінь розщеплення губи і неба). Причиною цього можуть бути доза гена (експресивність посилюється при збільшенні числа домінантних алелей гена), вплив середовища або інших генів.

Пенетрантность - ймовірність прояву гена в ознаку (в%) у його явних носіїв, тобто частка особин з даними ознакою в фенотипі від всіх особин, що успадкували цей ген. Якщо фенотипічніпрояв спостерігають у всіх носіїв - пенетрантность повна (100%), при неповній - ознака проявляється не завжди (<100%).

Внаслідок мутацій гена виникають його альтернативні форми - аллели. Ген може мати від двох (домінантний і рецесивний) до декількох алелей (множинний алелізм). Варіант гена, найбільш поширений в природі, називається аллелем дикого типу.

Гени по функції ділять на дві групи. структурні і регуляторні. Структурні гени містять інформацію про структуру білка, рРНК або тРНК.

Регуляторні гени координують активність структурних генів на рівні клітини і організму.

Структурні гени в залежності від кодованих ними генетичних продуктів поділяються на:

- гени структурних білків, їх продуктами є білки, що виробляють фенотипический ефект; багато з них унікальні;

- гени тРНК. їх продуктом є не білок, а тРНК;

- гени рРНК. їх продукт - рРНК. Гени тРНК і рРНК повторюються в геномі безліч разів.

За ступенем активності структурних генів розрізняють:

- гени загальноклітинними функцій (конститутивні) і

- гени спеціалізованих функцій (індуцібельная).

Гени загальноклітинними функцій постійно експресувати (активні), функціонують на всіх стадіях онтогенезу і у всіх тканинах. Без них клітини не можуть існувати, так як вони забезпечують виконання універсальних клітинних функцій. Це гени, що кодують тРНК, рРНК, рибосомальні білки, білки-гістони, ДНК-полімеразу, РНК-полімерази та інші ферменти для постійно протікають обмінних процесів клітини.

Гени спеціалізованих функцій експресуються в клітинах різних тканин на певних етапах онтогенезу, вони можуть включатися і вимикатися, їх активність може регулюватися за принципом «більше або менше». Це тканеспеціфічние гени, вони контролюють тільки спеціалізовані білки і функції клітини. Наприклад, гени глобинов, імуноглобулінів, які контролюють хід онтогенезу.

Для реалізації (експресії) гена необхідні допоміжні послідовності нуклеотидів. Ген разом з допоміжними ділянками називається транскріптоном. Він є найменшою функціональною одиницею генома. Типовий транскріптон (рис. 1) містить: промотор (сигнал початку транскрипції) - послідовність нуклеотидів, до якої приєднується фермент РНК-полімераза; регуляторний ділянку - оператор. до якого приєднуються керуючі білки активатори або репрессори (відповідно полегшують і блокують транскрипцію); структурний ген; термінатор - сигнал закінчення транскрипції.

Мал. 1. Структура типового транскріптона:

П - промотор, О - оператор, Т - термінатор

Транскріптонпрокаріот складається з двох ділянок: регуляторного (неінформативно) і структурного (інформативного), які містять близько 10% і 90% нуклеотидів відповідно. У регуляторному ділянці містяться промотор, оператор і термінатор. Структурний ділянку може бути представлений одним або кількома структурними генами. В останньому випадку вони розділені несмислового ділянками - спейсерами (рис. 2). Такий транскріптон називається опероном. В межах одного оперону знаходяться функціонально взаємопов'язані гени: їх білкові продукти забезпечують узгоджене перебіг реакцій одного біохімічного процесу (наприклад, реакції розщеплення молочного цукру лактози). Інформація, укладена в структурному ділянці оперона, зчитується у вигляді єдиної молекули мРНК.

Мал. 2. Оперон прокаріотів:

П - промотор, О - оператор, Т - термінатор, 1, 2, 3 - структурні гени

У еукаріот транскріптон також містить регуляторний (неінформативне) і структурний (інформативний) ділянки, відносна частка яких на відміну від прокаріотів становить 90% і 10%. Регуляторний ділянку може включати кілька промоторів, операторів і термінаторів. Структурні гени, які контролюють послідовні етапи будь-якого метаболічного процесу, можуть перебувати в різних частинах однієї хромосоми або навіть в різних хромосомах. Особливістю структурного гена еукаріотів є його переривчастість (мозаїчність): кодують ділянки, що несуть інформацію про послідовність амінокислот у білку (екзонів) чергуються з некодуючими фрагментами - интронами (рис. 3). Число интронов в різних генах різному, але, як правило, сумарна довжина інтронів перевищує загальну довжину екзонів.

Мал. 3. Транскріптон еукаріот:

П - промотор, О - оператор, Т - термінатор, Е1, Е2, Е3 - Екзони

З транскріптона у вигляді єдиної молекули про-мРНК зчитується вся інформація, яка знаходиться між промотором і термінатором. Некодуючі ділянки (інтрони) видаляються з про-мРНК в ході її перетворення в зрілу мРНК. На кордоні екзонів і інтронів розташовується послідовність нуклеотидів, яка розпізнається ферментами для вирізання інтронів з про-мРНК.

Реалізація генетичної інформації складається з двох послідовних процесів - транскрипції і трансляції. У клітинах прокаріотів, позбавлених ядерної оболонки, ці процеси можуть протікати одночасно. У еукаріот транскрипція і трансляція просторово розділені: синтез РНК відбувається в ядрі, збірка білку - в цитоплазмі.

Транскрипція починається з приєднання ферменту РНК-полімерази до промотор. У цьому місці відбувається розкручування подвійної спіралі ДНК. РНК-полімераза переміщається уздовж матриці і збирає з вільних нуклеотидів нову ланцюг відповідно до принципу комплементарності: А-У, Г-Ц, Т-А. Фермент зчитує інформацію, записану тільки в одному з ланцюжків ДНК (що кодує ланцюг). Синтез йде безперервно аж до термінатора. Тут фермент і РНК-продукт відокремлюються, а ДНК відновлює вихідну двуцепочечную структуру.

Оскільки структурні гени еукаріот мають мозаїчну будову, що утворився в ході транскрипції продукт містить Екзони і інтрони. Для подальшого синтезу білка з матриці повинні бути видалені некодуючі фрагменти - інтрони. Процес перетворення первинних продуктів транскрипції (про-мРНК) в зрілі мРНК називається процессингом. Він складається з видалення інтронів і зшивання (сплайсингу) екзонів. Екзонів зазвичай з'єднуються в тому ж порядку, в якому вони розташовувалися в ДНК. У деяких випадках в зрілих мРНК виявляється кілька варіантів з'єднання одних і тих же екзонів - альтернативний сплайсинг. Завдяки такому комбінуванню екзонів один ген може кодувати кілька структурно подібних, але функціонально різних білків. Після всіх перетворень зріла мРНК транспортується з ядра в цитоплазму.

Під час трансляції нуклеотидних послідовність мРНК повинна бути переписана у вигляді амінокислотної послідовності білка. Це забезпечується певною системою шифрування - генетичним кодом. Генетичний код - система запису генетичної інформації про порядок розташування амінокислот у білку за допомогою послідовності нуклеотидів мРНК, переписаних з ДНК. Одиницею коду є кодон. Кодон - три сусідніх нуклеотиду, забезпечують постановку специфічної амінокислоти в певне місце поліпептиду. Генетичний код має низку властивостей. 1) Тріплетность- кожна амінокислота кодується трьома сусідніми нуклеотидами - кодонів .2) Виродженість (надмірність) - можлива кількість триплетів - 64 і цього з надлишком вистачає для кодування 22 амінокислот. Більшість амінокислот кодуються кількома кодонами (2-6). Часто смисловими є перші два нуклеотиди, а третій може бути будь-яким. Триплет АУГ, що кодує амінокислоту метіонін, є стартовим (який ініціює). 3) Спеціфічность- кожен кодон шифрує певну амінокислоту. 4) Універсальность- у всіх організмів єдиний генетичний код. 5) Неперекриваемость- у еукаріот один і той же нуклеотид входить до складу лише одного кодону і не може одночасно входити до складу попереднього і подальшого кодонів. Перекривання коду у вірусів забезпечує компактність упаковки генетичного матеріалу, але значно знижує стійкість генетичної інформації при будь-мутації. 6) Відсутність знаків препінанія- поділ молекули мРНК на триплети відбувається тільки в момент трансляції, тобто є виключно функціональним. Якщо в складі ДНК (а, отже, і мРНК) зміниться послідовність нуклеотидів, то трансляція при цьому не зупиниться, але білок буде зміненим. 7) Наявність кодонів-нонсенс: 3 триплетів з 64-х не шифрується амінокислот, вони поділяють окремі гени в молекулі ДНК. При попаданні цього триплетів в рибосому трансляція закінчується, терминирующего, тому ці кодони називаються безглуздими або терминаторами. Терминаторами трансляції в молекулі мРНК є УАА, УАГ, УГА, що відповідає триплетів АТТ, АТЦ, АЦТ в молекулі ДНК.

Весь генетичний матеріал вірусу, клітини або організму називається геномом, тобто геном - це сукупність всіх генів і міжгенних сегментів ДНК. Геном людини містить: гени, регуляторні елементи, копії генів (псевдогени), транспозони і деякі інші послідовності ДНК. Гени, що кодують білки, займають в геномі приблизно 1%, гени всіх видів РНК - 25-26%. Основну масу ДНК в геномі людини становить неінформативна. мовчить ДНК. Більшість генів представлено в геномі вигляді двох, трьох і більшого числа копій. Біологічний сенс їх виникнення полягає в протистоянні пошкоджень факторами середовища. Якщо в копії відбувається мутація, то експресія такої копії припиняється, а в геномі постає не функціонує псевдоген (неактивний ген). Транспозони - сегменти ДНК, здатні переміщатися по геному в інші локуси, змінюючи експресію сусідніх генів.

Процеси передачі і реалізації генетичної інформації засновані на матричних синтезах, в ході яких вихідна молекула полімеру служить матрицею (шаблоном) для синтезу молекули такого ж або іншого полімеру. У живих організмах зустрічаються 4 види матричного синтезу: реплікація, пряма транскрипція, зворотна транскрипція, трансляція. Реплікація - синтез молекули ДНК на матриці ДНК, в результаті виходить точна копія вихідної ДНК. Пряма транскрипція - синтез РНК на матриці ДНК, забезпечує перенесення генетичної інформації з ДНК на РНК. Зворотній транскрипція - синтез ДНК на матриці РНК, генетична інформація переноситься з РНК на ДНК. Зворотній транскрипція спостерігається тільки в ході життєвого циклу РНК-вірусів. Трансляція - синтез поліпептидного ланцюга (первинної структури білкової молекули) на матриці мРНК, генетична інформація переноситься з мРНК на білок.