Дифференциальная экспрессия генов

Экспрессия гена может регулироваться на разных этапах (смотри схему выше). Однако в большинстве случаев ключевым этапом регуляции экспрессии генов является транскрипция, поэтому в основе дифференциальной экспрессии генов очень часто лежит дифференциальная транскрипция генов.

· В промоторе специфическая последовательность нуклеотидов (АО), которые узнаются РНК-полимеразой.

· РНК-полимераза садится на один край – начало (промотор), чтобы дойти до другого края. Двигается только в одном направление.

· Начало вычленения на основе определенной последовательности нуклеотидов, а они имеют определенные заряды.

· Белки РНК-полимеразы способны двигаться в одном направление.

· Начиная с конца промотора РНК-полимераза начинает синтезировать РНК.

· По окончание кодирующей области гена РНК прекращает синтезироваться. Об этом сигнализирует терминатор.

Если не будет промотора, то РНК-полимераза не будет считывать ген, т. е. ген будет «молчащим». Сама по себе РНК-полимераза не способна распознавать, какие именно гены нужно транскрибировать в данный момент, есть что-то другое, что помогает ей делать это – белки. Эти белки называются транскрипционными факторами. Регуляторные белки способны связывать разные участки гена, закрывать путь РНК-полимеразе (репрессор – подавитель), белки – усилители.

 

Дифференциальное распределение ТФ₁ по зиготе

 

 

…

Дифференциальная транскрипция гена, кодирующего ТФ_n-1

 

Дифференциальное распределение по организму ТФ_n-1

 

 

Дифференциальная транскрипция гена, кодирующего ТФ_n

 

 

Дифференциальное распределение по организму ТФ_n

 

Дифференциальная транскрипция гена Х

 

 

Бластомеры отличаются друг от друга. Уже на стадии четырех бластомеров клетки могут отличаться друг от друга. Клетки отличаются по набору транскрипционных генов. Можно просчитать судьбу отдельных бластомеров (у насекомых). Градиенты транскрипционных факторов – система молекулярных координат внутри организма.

Яйцеклетка.

 

В любой науке прорыв становится возможным только после нахождения удобной модели для решения определенной задачи. Модель должна обладать простотой, адекватностью, удобством работы. В области дифференцированной экспрессии генов модель – муха дрозофила: маленькая, плодовита (100 потомков от одной пары), короткий жизненный цикл (следующее поколение через 20 дней), дешевое разведение мухи.

 

Дрозофила:

Голова – пять сросшихся сегментов. 1-антенны. 2 – глаза. 3 – максиллы. 4 – мандибулы. 5 – нижняя губа.

Грудь – три сегмента. 1 – ходильные ноги. 2 – ходильные ноги + крылья. 3 – ходильные ноги + жужелица.

Брюшко – восемь сегментов. Производных конечностей нет.

 

Развитие начинается с личинки. Яйцо имеет вытянутую форму. Ключевыми транскрипциоными являются два, определяющие развитие передних и задних конечностей. После их дифференцировки организм разделяется на несколько областей: первая – образование зачатков сегментов, вторая – параллельно идет закладка транскрипционных факторов, которые определяют судьбу этих сегментов.

Пусть будет 3 – ТФ, у него есть ген, 1 и 2 – активаторы транскрипции. Транскрипция пойдет там, где концентрация факторов больше. Пусть есть 4, для которого транскрипция идет там, где 1 и 3. Его транскрипция будет позже, чем транскрипция 3. Благодаря этому создается весьма тонкие градиенты в зародыше. Это обеспечивает каскадная транскрипция.

 

Факторы, определяющие нормальное развитие дрозофилы. Если убрать воздействие на третий грудной сегмент первого брюшного, то он будет развиваться так же как второй грудной, т. е. будет иметь две пары крыльев. Но такая муха летает плохо.

Такие вещи в определители не входят. Возникает мысль, что прототипный вариант насекомого без дифференциации грудных сегментов – это шестикрылые насекомые. Эволюция – последовательность из накладывающихся друг на друга программ дифференцировки. Бывает, что конечности на голове – ходильные ноги; также бывает ротовой аппарат расчленяется на структуры, где угадываются конечности – все эти насекомые были получены «отключением» действия одного сегмента на другой.

Сегментарные структуры человека: позвоночник, спинномозговые нервы, фаланги пальцев, пары конечностей, доли легкого, мускулатура брюшного пресса. Бывает «чертово» ребро – тринадцатое. Шейные ребра. Короткопалость – пальцы из двух фаланг, но мускулатура в пальца такая же, как и в нормальных – короткие толстые пальцы.

 

Основные направления в биологии

1. Биология развития.

2. Эволюция.

3. Экология.

 

Биология развития

Детерминированное дробление –дробление, которое начинает быть видным очень рано. Наиболее яркий пример: нематоды. У них можно до клеток просчитать, сколько их в каждом сегменте (считают ядра).

Caenorhabditis ebgans (нематода). У взрослой особи количество соматических ядер – 959. Если на одно меньше или больше – мутант по развитию. Для каждой клетки определена судьба. Некоторые клетки, образовавшиеся из первых, должны умереть. Это явление получило название апаптоз. У человека апаптоз проявляется как разделение кисти (лопаточка на ранних стадиях) на пальцы. Некоторые клетки отмирают, что позволяет образовываться пальцам.

 

Эволюция

Градуализм –накопление маленьких изменений, в сумме дающих сильное изменение – эволюция.

При копирование гена рано или поздно возникнет мутационный ген. Это две аллели. С каждой аллели считывается генетическая информация. Если есть мутация в аллели, то в большинстве случает есть изменение в иРНК и аномалия в молекуле белка. Из-за изменений в молекуле белка произойдет изменение функции, т. е. одна функция превращается в другую. Белок начинает выполнять некую другую функцию – идея градуализма.

Вероятность полезного изменения очень мала. Если функция будет изменена, то скорее всего она будет изменена в сторону ухудшения.

Тогда как в результате мутаций может идти эволюция? Крупные эволюционные события происходят не за счет мутаций, а за счет каких-то других изменений. В третичной структуре белка выделяют более или менее отдельные части – домены. Домены в ходе эволюции могут перекомбенироваться, вследствие чего один функциональный белок становится другим. В основе эволюции скорее всего лежит перекомбенирование доменов, или генетических модулей. А шлифовка этих перегруппировок идет за счет мутаций.

 

Экология

Экологияизучает взаимоотношение живых организмов с окружающей средой. Любые трофические отношения состоят из элементарных частей. Центральным звеном любых экологических отношений являются разнообразные биологические ответы – это система адекватных реакций организма на определенный внешний или внутренний сигнал.

Формирование быстрого биологического ответа.

Сигнал

 

 

Взаимодействие сигнала с рецептором

 

 

Рецептор меняет конфигурацию и превращается в ПК #

 

…

Формирование ПК_n-1

 

Активация ПК_n-1

 

 

Формирование ПК_n

 

 

Активация ПК_n

 

Формирование белка Х

 

Активация белка Х

 

Биологический ответ

 

Формирование медленного биологического ответа.

Сигнал

 

 

Взаимодействие сигнала с рецептором

 

Рецептор меняет конформацию и превращается в ТФ₁ #

 

…

Запуск транскрипции гена, кодирующего ТФ_n-1

 

Запуск биосинтеза ТФ_n-1

 

 

Запуск транскрипции гена, кодирующего ТФ_n

 

Запуск биосинтеза ТФ_n

 

Запуск транскрипции гена, кодирующего ген Х

 

Запуск биосинтеза белка Х

 

 

Биологический ответ

 

Существует множество способов активации (инактивации) белков. Однако чаще всего этот процесс связан с формированием белков, т. е. присоединение фосфатной группы. Фосфолирование приводит к изменению конфигурации белка, т. е. изменению функции. Это происходит за счет того, что фосфатная группа легко диссоциирует и приобретает сильный заряд. Специфические ферменты, обеспечивающие фосфолирование белков, называется протеинкиназами.

Все сигналы принято условно подразделять на химические и физические. Химические сигналы – молекулы, их ионы. В ходе взаимодействия с химическим сигналом рецептор образует с ним комплекс, а потом рецептор меняет свою конформацию, следовательно, и функцию. Рецептор – чувствительная молекула. Физический сигнал – уровень температуры, свет, звук, механическое давление и др. Рецептор взаимодействует не со светом, а с квантом света. Рецептор не может образовать с ним комплекса, но он поглощает энергию, которую пускает на конформацию.

 

# -и то, и другое происходит в простейшем случае, но чаще всего это происходит через серию вспомогательных белков. Рецептор на клеточной мембране, ТФ – в ядре. У животных (человека) рецепторы кортикоидных гормонов сами становятся ТФ и уходят в ядро.

 

Первая схема идет быстрее, т. к. в клетке уже все есть, нужно лишь отфосфорилировать некую молекулу. Медленные биологические ответы реализуются в течение часов, дней, недель. Быстрые в течение секунд, долей секунд.

У растений, грибов и бактерий преобладают медленные биологические ответы. У животных – быстрые. В основе этого разделения лежит наличие или отсутствие клеточной стенки. В значительной степени наличие быстрого/медленного биологического ответа определяется экологическим поведением: пережидание/уход. Нервная система по своей сути предназначена для чрезвычайно быстрой реализации биологических ответов.

 

Медленные биологические ответы у человека.

Например, гормональная регуляция. У всех животных, имеющих нервную систему молекулярная регуляция одинаковая. Существует множество ситуаций, когда в формирование биологического ответа участвуют элементы быстрых и медленных биологических ответов. Нейро-эндокринная система обеспечивает реализацию биологических ответов: выработка молока у женщин не сразу после оплодотворения. Функции нервной системы: реакция на внешние сигналы – связь с окружающей средой, реакция на внутренние сигналы – координация органов.

У дрозофилы 25 тыс. генов, у человека 35 тыс. генов (но работающих вроде бы 25 тыс.).

Сегодня биология не описательная наука, а наука, изучающая причинно-следственную связь (как реализуется генетическая информация).

Размножение

Основная задача размножения скомпенсировать смертность.

Способы размножения:

1. Бесполое.

Наиболее древний способ размножения. При бесполом размножение потомок получает и может получить генетическую информацию только от одного родителя.

а) бинарное деление.

б) спороношение = спорообразование. Бесполое размножение многоклеточных организмов с помощью отдельных клеток (спор).

в) вегетативное размножение – бесполое размножение организмов за счет групп клеток или частей организма.

Поскольку при деление и спороношение может быть мейоз, то потомки по генетической информации могут отличаться от прородителя.

 

2. Половое.

При половом размножение потомок может получить генетическую информацию от двух родителей. Половое размножение дает большое разнообразие потомств, но не дает никакого преимущества непосредственно тем организмам, которые размножаются половым путем, ни их потомкам. Преимущества получает ВИД. На очень многих видах показано, что интенсивность полового размножения резко возрастает, когда организму плохо. Дерево начало умирать, оно стремиться дать как можно больше потомства за счет оставшихся ресурсов. Другой пример: половое размножение у пчел происходит осенью – «пир во время чумы».

Гаметы обязательно должны «уметь встречаться». Встреча обеспечивается подвижностью гамет. Гаметы должны снабдить зиготу хотя бы минимальным запасом питательных веществ. Но это трудно сделать, т. к. с «большим весом» трудно двигаться. Вывод: одна гамета должна быть неподвижной с большим запасом питательных веществ, другая подвижна, но без запаса питательных веществ – общебиологический принцип разделения функций. Например, яйцеклетка и сперматозоид. Сперматозоид ищет, яйцеклетка ждет. Яйцеклетка выделяет особые вещества, которые диффундируя создают градиент концентрации. Сперматозоид, сталкиваясь с градиентом, «выбирает» кротчайший путь к яйцеклетке.

 

Виды полового размножения:

а) изогамия. Сливающиеся клетки морфологически друг от друга неотличимы. Примеры: истинные грибы, хламидомонады, спирогира и т. д.

б) анизогамия = гетерогамия. Между гаметами есть морфологические различия. Пример: ульвовые.

в) оогамия. Есть четко выраженные яйцеклетка и сперматозоид.

г) в некоторых случаях специальные гаметы не образуются – изогамия. Пример: истинные грибы – к слиянию способны любые вегетативные клетки.

 

3. Партеногенез.

У растений апомиксис. Партеногенез – вторичная модификация полового размножения, но по своей суть является бесполым.

 

Клеточный цикл

Клеточный цикл –это промежуток времени или последовательность стадий от начала одного деления до начала следующего.

Интерфаза – промежуток времени от конца одного деления до начала следующего.

Минимальный клеточный цикл занимает 20 минут.

Деления: простое деление у прокариот; митоз, мейоз, амитоз – эукариоты.

S-фаза – удвоение ДНК.

G₁ и G₂ – синтеза ДНК не происходит. На стадии G₁ клетка готовится к удвоению ДНК, на стадии G₂ - к делению.

 

 

Жизненный цикл

Жизненный цикл –это последовательность стадий, обеспечивающих закономерное чередование гаплоидной и диплоидной фаз.

 

Гаплонты, зиготическая редукция.

Гаплодиплобионты. Непосредственно за счет мейоза идет бесполое размножение. Гаметы образуются не в результате мейоза (говорим просто о гаметогенезе).

Диплобионты.

Отличие прокариот от эукариот состоит в том, что у эукариот идет значительное увеличение генетической информации. Это увеличение обеспечивается увеличением количества генов, а увеличение генетического материала происходит на порядки. Кишечная палочка – 3*10⁶ нуклеотидных пар, дрожжи – 2*10⁷, многоклеточные – 3*10⁸, человек - 3, 5*10⁹ нуклеотидных пар. Тенденция увеличения генома: увеличение количества генов (прокариоты – 3000 генов, дрожжи – 6000, многоклеточные – 25000); резко возрастающие некодирующие участки (у человека доля генома, представленная генами, равна 3%, остальное – некодирующие участки).

Расстояние между соседними нуклеотидными парами 3,4 А. Общая длина: 3, 4*3,5*10⁹ = около 1 метра – ДНК (у человека). В каждой клетке, кроме гамет, два метра чистой ДНК. Идея эукариотической хромосомы – техническое приспособление скручивания ДНК. Гистоны –белки обеспечивающие спирализацию. Хромосомы должны быть спирализованы в момент деления клетки, т. к. их удобнее растаскивать. Потом ДНК разматывается, чтобы быть удобной для считывания (циклы спирализации и диспирализации хромосом в течение клеточного цикла).

Деление (митоз):

· Профаза.

- Спирализация хромосом.

- Разрушение ядерной оболочки (кроме грибов и некоторых простейших).

- Расхождение двух центриолей.

- Постепенное исчезновение ядрышка.

· Метафаза.

- Хромосомы максимально спирализованы – видно хроматиды.

- Хромосомы выстраиваются так, что их центромеры перпендикулярны плоскости деления – метафазная пластинка.

- Формируется веретено деления из тубулиновых микротрубочек.

· Анафаза.

- Сокращение веретена деления.

- Разрушение центромерных участков.

- Хроматиды растаскиваются к полюсам.

· Телофаза.

- Хроматиды, отошедшие к одному полюсу, соединяются.

- Хроматиды диспирализуются.

- Исчезает веретено.

- Образуется перегородка между клетками.

Увеличение числа клеток при сохранение генетической информации.

Мейоз – два подобных деления, между которыми нет удвоения ДНК. В первом деление хромосомы конъюгируют: удобно закономерно разойтись (упорядочение процесса) + кроссинговер (дополнительная рекомбинация).

Вирусы. Живые или нет?

Доводы за то, что они неживые: если поместить вирус под микроскоп и наблюдать за ним, то ничего не происходит. Для того, чтобы оно «начало жить», его нужно ввести в клетку. Вирус – это набор молекул, молекулекулярные паразиты живого. Вирус использует живую систему в своих целях. Все делает живая система, а вирус только пользуется продуктами деятельности этой системы.

Доводы за то, что они живые: клетка – окружающая среда вируса. Если поместить живой организм в вакуум, то он умрет. Точно так же и вирус, для него воздушная среда – вакуум. Молекулярная организация такая же, как у клетки живого организма: НК, белки, мембраны. С молекулярной точки зрения = это нормальный вариант жизни. Внутри живых объектов находят нуклеотидные последовательности сходные с нуклеотидными последовательностями вирусов.

 

Ретровирусы – идет метод обратной транскрипции (ДНК по РНК).

Ретротранспозоны –мобильные генетические элементы. Могут легко менять последовательность генетической информации..

 

Правила транскрипции:

· Триплетность.

· Неперекрываемость

· Избыточность.

· Отсутствия «знаков препинания» между соседними триплетами.

 

Ретровирусы	Ретротранспозоны
Gag – ДНК-связывющий белок.	Gag
Prot – «раскусывает» огромный белок на части.	Prot
RT – фермент обратной транскрипции.	RT
Endo – обеспечивает появление транспозона в любом месте.	Endo
Env – белок вирусной оболочки.

Ретровирусы близки с ретротраспозонами.

 

Сначала были ретровирусы. Они были в клетках и со временем утратили Env, став транспозонами. Другая точка зрения – сначала были транспозоны. Но со временем по каким-то причинам появился Env, позволяющий выйти транспозонам из клетки в виде ретровирусов.

 

Признак живого – большая степень самоупорядоченности. Матричный синтез – высшая степень упорядоченности, следовательно вирусы – живые. Однако наиболее просто устроенные вирусы – это молекулы ДНК, если вирусы живые, то и ДНК – живое.

Главный смысл жизни – продолжение жизни! Продолжение жизни – воспроизведение генетической информации. В эту схему хорошо укладывается то, что ДНК – живая. Некоторые транспозоны способны воспроизводиться по принципу репликации ДНК (ДНК – транскрипция). Смысл существованья транспозона вообще – воспроизведение отдельных участков генетической информации, причем каждый участок сам по себе. Все это привело к возникновению Selfish DNA – эгоистичная ДНК. ДНК способно к интенсивному воспроизведению; ДНК в ходе эволюции выработало такую среду, чтобы существовать – КЛЕТКА.

 

Шел синтез органики из неорганики. На других планетах могли существовать сложные органические вещества. На Землю упали обломки камет, содержащие органику. Упав в небольшую лужу, органика растворилась и дала высокую концентрацию органического вещества. Имеются соединения FeS с маленькими порами, в которых могла накапливаться органика. Причем размер пор сопоставим размеру мелких бактерий. Они были гетеротрофы; первые автотрофы – хемосинтетики (железо-бактерии и серо-бактерии). Но все это шло на уровне макромолекул – биохимическая эволюция, биологической она стала тогда, когда появились устойчивые биологические системы. Тогда начало жизни с клетки, следовательно вирусы – неживые.

 

Рибозим – биологический катализатор рибонуклеинового происхождения. Т. е. молекула РНК способна катализировать собственно удвоение. Молекула РНК увеличивала свои размеры, отбирались наилучшие, стали синтезироваться белки, т. е. произошло разделение функций: белки – катализаторы, ДНК – хранение генетической информации. (ДНК сначала было двойной цепочкой РНК)

 

Стратегия размножения:

1. Оставить как можно больше потомства. Но потомок получает мало питательных веществ и заботы, т. е. все ресурсы организма направлены на воспроизведение потомства. Выживаемость очень мала. Например, у рыбы-луны выметается за один раз 300 млн икринок.

2. Потомков мало. Каждому потомку достается много питательных веществ и заботы. Выживаемость высока, но плодовитость очень низкая. Наиболее яркий пример: шимпанзе. Маска до пяти летнего возраста ребенка вообще не способна забеременеть.

Предки людей перешли к увеличению плодовитости. Но при этом самкам пришлось отказаться от самостоятельного добывания пищи, большой подвижности, т. к. нужно много времени уделять потомству. При сходе на землю у самок освободились руку (не нужно держаться за дерево), поэтому самка могла лучше ухаживать за детенышами.

 

 

Итог: если принять, что вирусы живые то – клеточная теория живого отвергается; если вирусы живые, то и ДНК – живая; все более сложные структуры (кроме ДНК) имеют лишь одну цель – способствовать воспроизведению ДНК. В ходе эволюции создается клетка и ДНК «поняла», что это хорошо. Потом хорошо бы разделить на компартменты – возникли эукариоты. Хорошо бы рекомбинироваться – половое размножение. Потом многоклеточные существа. Среды обитания ДНК приспосабливались к окружающей среде, т. к. взаимоотношения с окружающей средой очень сложные, то возник разум. Следовательно, человек живет лишь для воспроизведения собственной генетической информации.

Биология –наука о жизни. Не известно, кто впервые ввел этот термин в науку. Считают, что это понятие ввели независимо друг от друга два ученых (один из них Ламарк). Применяли это понятие и до Ламарка, например, Линней, но, скорее всего, в другом значение.

 

 

Каждую науку можно раздробить на более «мелкие» (узкоспециализированные). На пересечение строк и столбцов получаем реально существующую науку.

Есть науки, которые в этот способ классификации не вписываются. Науки, возникшие на границе естественных наук.

В какой-то степени эти науки синтетические.

 

Науки, которые изучают все многообразие сразу, используя методы всех наук: молекулярная биология, эволюционное учение, систематика – описание существующего и существовавшего многообразия видов и их распределение в системе в зависимости от их филогении. Эволюционное учение, систематика – это синтетические наука.