Материал: Генетика как наука

Центральная догма молекулярной биологии. Типы переноса информации. Обратная транскрипция

3. Трансляция (РНК > белок) Зрелая иРНК считывается рибосомами в процессе трансляции и происходит синтез белка.

Специальные способы переноса информации. 1.Обратная транскрипция (РНК -- ДНК) Обратная транскрипция -- перенос информации с РНК на ДНК, процесс, обратный нормальной транскрипции, осуществляемый ферментом обратной транскриптазой. Встречается у ретровирусов, например, ВИЧ и в случае ретротранспозонов. 2.Репликация РНК (РНК -- РНК) Репликация РНК -- копирование цепи РНК на комплемлементарную ей цепь РНК с помощью фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы. Вирусы, содержащие одноцепочечную (например, пикорнавирусы, к которым относится вирус ящура) или двуцепочечную РНК реплицируются подобным способом. 3.Прямая трансляция белка на матрице ДНК (ДНК -- белок). Прямая трансляция была продемонстрирована в клеточных экстрактах кишечной палочки, которые содержали рибосомы, но не иРНК. Такие экстракты синтезировали белки с введённых в систему ДНК, и антибиотик неомицин усиливал этот эффект.

Регуляция экспрессии генов у прокариот и эукариот

Экспрессия генов -- это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт -- РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков. Прокариоты. Многие бактериальные гены устроены таким образом, что они способны функционировать с существенно разной эффективностью. Такие вариации обусловлены действием системы контроля генной экспрессии, которая осуществляется главным образом на уровне транскрипции ДНК. Таким образом, чаще всего уровень активности гена связан с количеством синтезируемой на нем мРНК, то есть с активностью фермента РНК-полимеразы. Последовательности ДНК, расположенные перед началом структурного гена и определяющие степень активности РНК-полимеразы, называются регуляторными последовательностями. Одна из таких последовательностей представляет собой участок ДНК, с которым связывается РНК-полимераза. Этот участок называется промотором. Промотор может быть сильным и слабым. Сильный промотор инициирует синтез иРНК часто, слабый - гораздо реже. С другой стороны, промотор может быть регулируемым и нерегулируемым. Интенсивность транскрипции определенных структурных генов может зависеть от эффективности ее терминации, в частности, от того, как часто РНК-полимераза прекращает синтез РНК, не дойдя до этих генов. На эффективность продуктивности рекомбинантной ДНК в существенной степени влияет количество копий этой ДНК в расчете на клетку. Суммарная активность экспрессируемого гена растет с ростом копийности плазмиды. Регуляция экспрессии у прокариот происходит также и на уровне трансляции. Последовательность оснований длиной 6-8 нуклеотидов, расположенная непосредственно перед инициирующим кодоном АУГ, определяет эффективность трансляции. Эта последовательность представляет собой участок связывания мРНК с рибосомой. Как правило, он отстоит на 8 нуклеотидов от инициирующего кодона, и его сдвиг в ту или иную сторону может резко снижать эффективность трансляции соответствующей мРНК. Описанный участок называется последовательностью Шайна-Дальгарно, по имени исследователей, впервые его идентифицировавших. У эукариотических организмов механизм регуляции транскрипции гораздо более сложен. В результате клонирования и секвенирования генов эукариот обнаружены специфические последовательности, принимающие участие в транскрипции и трансляции. Для эукариотической клетки характерно: наличие интронов и экзонов в молекуле ДНК; созревание и-РНК - вырезание интронов и сшивка экзонов; наличие регуляторных элементов, регулирующих транскрипцию, таких как: а) промоторы - 3 вида, на каждый из которых садится специфическая полимераза. РНК-полимераза I реплицирует рибосомные гены, РНК-полимераза II - структурные гены белков, РНК-полимераза III - гены, кодирующие небольшие РНК. Промоторы РНК-полимеразы I и РНК-полимеразы II находятся перед участком инициации транскрипции, промотор РНК-полимеразы III - в рамках структурного гена; б) модуляторы - последовательности ДНК, усиливающие уровень транскрипции; в) (энхансеры) усилители - последовательности, усиливающие уровень транскрипции и действующие независимо от своего положения относительно кодирующей части гена и состояния начальной точки синтеза РНК; г) терминаторы - специфические последовательности, прекращающие и трансляцию, и транскрипцию.

Характеристика строения и функционирования генома эукариот и прокариот. Мобильные генетические элементы. Функциональное значение мобильных элементов

Основной чертой молекулярной организации прокариот является отсутствие в их клетках ядра, отгороженного ядерной мембраной от цитоплазмы. Отсутствие ядра является лишь внешним проявлением особой организации генома у прокариот. Геном прокариот построен очень компактно. Количество некодирующих последовательностей нуклеотидов минимально. Многие механизмы регуляции экспрессии генов, использующиеся у эукариот, не встречаются у прокариот. Ген прокариот состоит из двух основных элементов: регуляторной части и собственно кодирующей части. Регуляторная часть гена обеспечивает первые этапы реализации генетической информации, заключенной в структурной части гена; структурная часть гена содержит информацию о структуре кодируемого данным геном полипептида. Количество некодирующих последовательностей в структурной части гена у прокариот минимально. 5'-конец прокариотического гена имеет характерную организацию регуляторных элементов и называется промотором. Он важен для транскрипции гена, но сам в РНК не транскрибируется. Противоположный 3'-конец -- терминаторная область, необходимая для терминации транскрипции. В РНК он также не транскрибируется. Транскрипция начинается со стартовой точки.

Геном эукариот. Для клеток эукариот характерно наличие оформленного ядра. Информационной макромолекулой их генома является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. Однако жизненно важная генетическая информация заключена и во внехромосомных молекулах ДНК. У эукариот -- это ДНК хлоропластов, митохондрий и других пластид. Под геномом эукариотического организма в настоящее время понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма. Геном эукариот избыточен. Эукариотическая клетка содержит во много раз больше генов, чем прокариотическая. Эукариотический ген можно рассматривать как совокупность сегментов ДНК, которые вместе составляют экспрессируемую единицу, ответственную за образование специфического функционального продукта -- либо молекулы РНК, либо полипептида. К сегментам ДНК, составляющим ген, относятся следующие элементы: единица транскрипции - это участок ДНК, кодирующий первичный транскрипт, включающий а) последовательность, которая обнаруживается в зрелых функциональных молекулах РНК; б) интроны (для мРНК); в) промежуточные последовательности - спейсеры (для рРНК), интроны и спейсеры удаляются в ходе процессинга первичных транскриптов; г) 5'- и 3'-нетранслируемые последовательности (5'-НТП и З'-НТП). Минимальные последовательности, необходимые для начала транскрипции (промотор) и конца транскрипции (терминатор). В отличие от прокариотических генов, почти всегда коллинеарных своим РНК, многие гены эукариот имеют мозаичное строение. Под мозаичностью в данном случае подразумевается чередо­вание кодирующих (экзоны) и некодирующих (вставочные после­довательности, или интроны) последовательностей в пределах единицы транскрипции. Существенную часть генома эукариот (10 -- 30%) составляют повторяющиеся последовательности, имеющие определенную структурную организацию и способные перемещаться в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Они получили название подвижных или мобильных генетических элементов. Различают два основных класса подвижных генетических элементов эукариот: транспозоны и ретротранспозоны (у прокариот - плазмиды и фаги). Хотя мобильные элементы в целом являются «генетическими паразитами», вызывая мутации в генетическом материале организма хозяина и понижая его приспособленность за счёт траты энергии на репликацию и синтез белков паразита, они являются важным механизмом изменчивости и обмена генетическим материалом между организмами одного вида и разными видами.

Классификация изменчивости. Понятие о ненаследственной и наследственной изменчивости. Модификационная изменчивость

Под изменчивостью понимают свойство живых организмов приобретать в процессе индивидуального развития (онтогенеза) новые морфо-функциональные признаки и особенности, отличающиеся от родительских. Процессы, определяющие изменчивость, неоднородны. Одни из них могут проявляться только в виде вариации признаков, т. е. только как изменение признака; другие затрагивают генетический аппарат. Соответственно этому выделяют фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную) изменчивость.

При ненаследственной (фенотипической) или модификационной изменчивости наследственный материал в изменения не вовлекается. Они касаются только признаков индивида и происходят под действием факторов внешней и внутренней среды. Подобные изменения не передаются по наследству, даже если они обусловлены постоянным воздействием на протяжении исторически длительного времени. Если изменения признака являются реакцией на действие определенного фактора и по выраженности не выходят за пределы нормы реакции, то такие изменения называют модификационными. Наиболее четко модификационная изменчивость проявляется как реакция организма на изменения факторов среды: например, географических условий проживания, интенсивности солнечной радиации, характера питания и т.д. Модификационная изменчивость имеет адаптивное (приспособительное) значение. В тех случаях, когда изменения появляются в результате действия большого количества факторов, их называют случайными.

Наследственная или генотипическая изменчивость в зависимости от природы клеток подразделяется на генеративную (изменения в наследственном аппарате гамет) и соматическую (изменения в наследственном аппарате клеток тела). В рамках генеративной и соматической изменчивости выделяют 1) комбинативную и 2) мутационную изменчивость. Комбинативная изменчивость возникает в генотипах потомков вследствие случайной перекомбинации аллелей. Сами гены при этом не изменяются, но генотипы родителей и детей различны. Мутационная изменчивость обусловлена мутациями -- устойчивым изменением генетического материала и, как следствие, наследуемого признака. Переходных форм изменчивости по сравнению с исходным состоянием не наблюдается.

Комбинативная изменчивость. Механизмы возникновения и значение для селекции и эволюции

Комбинативная, или гибридная изменчивость характеризуется появлением новообразований в результате сочетания и взаимодействия генов родительских форм в генотипе потомства. Комбинативная изменчивость является источником бесконечного наследственного разнообразия, наблюдаемого у представителей любой систематической группы живых организмов. В основе возникновения различных комбинаций генов в генотипах организмов лежит половое размножение, вследствие которого возникает огромное разнообразие форм организмов.

Комбинативная изменчивость возникает в результате нескольких процессов или механизмов:

• а) независимого расхождения хромосом в процессе мейоза;
• б) рекомбинации генов при кроссинговере;
• в) случайной встречи гамет при оплодотворении.

Из анализа расщепления, независимого комбинирования генов и их взаимодействия видно, что в результате таких процессов могут возникать новые наследственные признаки, играющие существенную роль в эволюционном процессе, как механизм, обеспечивающий сочетание наиболее приспособленных признаков и свойств для выживания организмов. Комбинативная изменчивость используется и в селекции. Для закрепления желаемых свойств, полученных путем комбинативной изменчивости, селекционеры используют близкородственные скрещивания и бесполое размножение.

Мутационная изменчивость. Мутационная теория Г. де Фриза. Классификация мутаций

Мутация (от лат. mutacio-изменение, перемена) - это прерывистое, скачкообразное изменение наследственности какого-либо признака. Термин "мутация" ввел голландский генетик Гуго Де Фриз. Он создал мутационную теорию, основные положения которой были сформулированы им в книге "Мутации и периоды мутаций" (1901). Обоснование идеи о мутациях до Де Фриза было дано в книге русского ботаника профессора Сергея Ивановича Коржинского "Гетерогенезис и эволюция" (1899). Теория Де Фриза установила, что единственным источником наследственных изменений организма являются мутации. Они возникают внезапно, не образуют в отличие от модификаций переходов и идут в разных направлениях. Это качественные наследственные изменения.

Основные положения мутационной теории

• 1. Мутации возникают внезапно, без всяких переходов.
• 2. Мутации стойко передаются из поколения в поколение, наследственны.
• 3. Мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа.
• 4. Мутации возникают в разных направлениях, они могут быть вредными, полезными и нейтральными.
• 5. Успех в выявлении мутаций зависит от числа проанализированных особей.
• 6. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Де Фриз в основном, верно, характеризовал природу мутаций и некоторые особенности мутационного процесса. Однако, он допустил ошибку, противопоставляя свою мутационную теорию эволюционному учению Ч.Дарвина. Он считал, что мутации могут сразу давать начало новым видам без естественного отбора.

Классификация мутаций

I. По фенотипическому проявлению - морфологические, физиологические и биохимические.

II. По типу аллельных взаимодействий - доминантные, рецессивные, промежуточные и кодоминантные. Преобладают, как правило, рецессивные мутации.

III. По локализации в клетке- ядерные и цитоплазматические.

IV. По отношению к возможности наследования - генеративные (возникают в половых клетках, поэтому могут наследоваться) и соматические (возникают в соматических клетках, поэтому не наследуются)

V. По относительному влиянию на организм - летальные, вредные, нейтральные и полезные. Большинство мутаций являются вредными. Однако, учитывая, что в геноме эукариот преобладающая часть нуклеотидных остатков является некодирующими, то в последнее время считается, что у эукариот большая часть мутаций нейтральна.

VI. По уклонению от нормы - прямые (мутации доминантного гена в рецессивный А ? а) и обратные, или реверсии (мутации рецессивного гена в доминантный а ? А). Чаще происходят прямые мутации.

VII. По происхождению - спонтанные, или естественные и индуцированные, или искусственные.

VIII. По характеру проявления - гипоморфные (действуют в том же направлении, что и нормальный аллель, но дают несколько ослабленный эффект); аморфные (неактивны в отношении типичного эффекта нормального аллеля, например, альбинизм); антиморфные (оказывают действие противоположное действию нормального аллеля. Например, у кукурузы исходный аллель дает пурпурную окраску семян, а мутантный - бурую): неоморфные (Мутации нетипичные по проявлению в фенотипе. Их действие совершенно отлично от действия нормального исходного аллеля).

IX. По степени фенотипического проявления - крупные, или видимые и малые. Малые мутации создают огромную наследственную изменчивость хозяйственно-полезных и биологических признаков и имеют большое значение в селекции и эволюции. Крупные мутации, как правило, не дают начало новым видам, так как организмы с такими изменениями недостаточно хорошо приспособлены к внешним условиям и не могут успешно конкурировать с исходными видами.

X. По уровню возникновения - генные (изменения нуклеотидных остатков, возникающие в гене); хромосомные (изменения участков хромосом); геномные (изменения числа хромосом).