МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА

Ключевые слова и понятия:ген, про-мРНК, мРНК, тРНК, рРНК, оперон, транскриптон, генетический код, кодон, антикодон, транскрипция, процессинг, интрон, экзон, сплайсинг, трансляция, геном.

Наследственность – свойство организмов обеспечивать в ряду поколений преемственность признаков, тип обмена веществ и индивидуального развития в целом.Материальную связь родителей и потомства обеспечивают гены соматических (при бесполом размножении) или половых (при половом) клеток. Наследственность дробна, так как ее структурной единицей является ген. Ген не сразу экспрессируется (реализуется) в признак в фенотипе, поэтому, наследственность прерывиста. Между геном и признаком существует временной интервал, в течение которого происходят биохимические реакции:

ген (участок ДНК) ® мРНК ® белок (фермент) ® биохимические реакции ® признак

На любом из этапов экспрессии возможно влияние внешних или внутренних факторов, поэтому признак может не проявляться в фенотипе.

По локализации в клетке различают два вида генов: ядерные и цитоплазматические (плазмагены).Они обеспечивают, соответственно, два вида наследственности. Ядерная (хромосомная) наследственность обеспечивается генами, которые располагаются в хроматине ядра. Это основной вид наследственности, его характеристика дана в положениях хромосомной теории Т.Моргана (1933г.). Цитоплазматическая наследственность обеспечивается генами, находящимися в цитоплазме яйцеклетки (только материнским организмом), так как в процессе оплодотворения от отцовского организма потомство наследует только мужской пронуклеус. Совокупность всех наследственных задатков цитоплазмы называется плазмагенами.

Различают два вида плазмагенов: 1) плазмагены органелл, содержащих ДНК, и 2) плазмагены инфекционных агентов и симбионтов клетки. ДНК-содержащими органеллами являются митохондрии и пластиды. Их плазмагены обеспечивают митохондриальнуюи пластидную наследственность. Примером митохондриальной наследственности у человека является атрофия зрительного нерва (синдром Лебера – острая потеря центрального зрения) и раздвоение позвоночника. Примером пластидной наследственности является пестролистность растений; стерильность пыльцы кукурузы. Второй вид плазмагенов – плазмиды и вирусы. Плазмиды – это нехромосомный генетический материал бактерий, представленный небольшими кольцевидными молекулами ДНК (дополнительная молекула ДНК в цитоплазме). В них находятся гены, кодирующие собственные токсины, а также устойчивость бактерий к определенным антибиотикам и другим лекарственным веществам.

У животных со стадным образом жизни и заботой о потомстве существует еще один вид наследственности, которая не обеспечивается ДНК - сигнальная. Она определяет только функциональную преемственность между поколениями, что проявляется в копировании поведенческих реакций родителей их потомством. Механизм сигнальной наследственности заключается в передаче готовых условных рефлексов и их комплексов (привычек), в том числе и вредных (курение). Значение – быстрая адаптация потомства в определенных условиях среды.

Структурной единицей наследственности является ген. Ген– совокупность сегментов ДНК, обуславливающих синтез молекулы РНК или белкового продукта. Согласно современным представлениям, ген представляет собой совокупность нескольких сегментов (отрезков) ДНК, а не один непрерывный ее фрагмент. Ген имеет следующие свойства: дискретность, специфичность действия, экспрессивность, пенетрантность, аллельное состояние.

Дискретность (дробность) означает, что ген в своей активности обособлен от действия других генов, он определяет формирование отдельного признака или свойства организмов данного вида. Действие гена может быть изменено его положением на хромосоме (эффект положения) или влиянием различных факторов внешней и внутренней среды. Дискретностью определяется независимое наследование генов и независимое комбинирование отдельных признаков в фенотипе, мутации генов.

Специфичность действия проявляется в том, что конкретный ген контролирует развитие конкретного признака. Однако в некоторых случаях один ген может детерминировать синтез не одного, а нескольких полипептидов, что приводит к множественному (плейотропному) действию гена.

Экспрессивность – разная степень выраженности признака в фенотипе при одном и том же генотипе (степень выраженности дополнительных пальцев при полидактилии; различная степень расщепления губы и неба). Причиной этого могут быть доза гена (экспрессивность усиливается при увеличении числа доминантных аллелей гена), влияние среды или других генов.

Пенетрантность – вероятность проявления гена в признак (в %) у его заведомых носителей, то есть доля особей с данным признаком в фенотипе от всех особей, унаследовавших этот ген. Если фенотипическое проявление наблюдают у всех носителей – пенетрантность полная (100 %), при неполной – признак проявляется не всегда (< 100%).

Вследствие мутаций гена возникают его альтернативные формы – аллели. Ген может иметь от двух (доминантный и рецессивный) до нескольких аллелей (множественный аллелизм). Вариант гена, наиболее распространенный в природе, называется аллелем дикого типа.

Гены по функции делят на две группы: структурные и регуляторные. Структурные гены содержат информацию о структуре белка, рРНК или тРНК.

Регуляторные гены координируют активность структурных генов на уровне клетки и организма.

Структурные гены в зависимости от кодируемых ими генетических продуктов разделяются на:

- гены структурных белков, их продуктами являются белки, производящие фенотипический эффект; многие из них уникальные;

- гены тРНК, их продуктом является не белок, а тРНК;

- гены рРНК, их продукт – рРНК. Гены тРНК и рРНК повторяются в геноме множество раз.

По степени активности структурных генов различают:

- гены общеклеточных функций (конститутивные) и

- гены специализированных функций (индуцибельные).

Гены общеклеточных функций постоянно экспрессированы (активны), функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. Без них клетки не могут существовать, так как они обеспечивают выполнение универсальных клеточных функций. Это гены, кодирующие тРНК, рРНК, рибосомальные белки, белки-гистоны, ДНК-полимеразу, РНК-полимеразу и другие ферменты для постоянно протекающих обменных процессов клетки.

Гены специализированных функций экспрессируются в клетках разных тканей на определенных этапах онтогенеза, они могут включаться и выключаться, их активность может регулироваться по принципу «больше или меньше». Это тканеспецифичные гены, они контролируют только специализированные белки и функции клетки. Например, гены глобинов, иммуноглобулинов, контролирующие ход онтогенеза.

Для реализации (экспрессии) гена необходимы вспомогательные последовательности нуклеотидов. Ген вместе со вспомогательными участками называется транскриптоном. Он является наименьшей функциональной единицей генома. Типичный транскриптон (рис. 1) содержит: промотор (сигнал начала транскрипции) – последовательность нуклеотидов, к которой присоединяется фермент РНК-полимераза; регуляторный участок – оператор, к которому присоединяются управляющие белки активаторы или репрессоры (соответственно облегчают и блокируют транскрипцию); структурный ген;терминатор – сигнал окончания транскрипции.

return false">ссылка скрыта

Рис. 1. Структура типичного транскриптона:

П – промотор, О – оператор, Т – терминатор

Транскриптонпрокариот состоит из двух участков: регуляторного (неинформативного) и структурного (информативного), которые содержат около 10% и 90% нуклеотидов соответственно. В регуляторном участке содержатся промотор, оператор и терминатор. Структурный участок может быть представлен одним либо несколькими структурными генами. В последнем случае они разделены несмысловыми участками – спейсерами (рис. 2). Такой транскриптон называется опероном. В пределах одного оперона находятся функционально взаимосвязанные гены: их белковые продукты обеспечивают согласованное протекание реакций одного биохимического процесса (например, реакции расщепления молочного сахара лактозы). Информация, заключенная в структурном участке оперона, считывается в виде единой молекулы мРНК.

Рис. 2. Оперон прокариот:

П – промотор, О – оператор, Т – терминатор, 1, 2, 3 – структурные гены

 

У эукариот транскриптон также содержит регуляторный (неинформативный) и структурный (информативный) участки, относительная доля которых в отличие от прокариот составляет 90% и 10%. Регуляторный участок может включать несколько промоторов, операторов и терминаторов. Структурные гены, контролирующие последовательные этапы какого-либо метаболического процесса, могут находиться в разных частях одной хромосомы или даже в разных хромосомах. Особенностью структурного гена эукариот является его прерывность (мозаичность): кодирующие участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке (экзоны) чередуются с некодирующими фрагментами – интронами (рис. 3). Число интронов в разных генах различно, но, как правило, суммарная длина интронов превышает общую длину экзонов.

Рис. 3. Транскриптон эукариот:

П – промотор, О – оператор, Т – терминатор, Э1,Э2, Э3 – экзоны

 

С транскриптона в виде единой молекулы про-мРНК считывается вся информация, заключенная между промотором и терминатором. Некодирующие участки (интроны) удаляются из про-мРНК в ходе ее превращения в зрелую мРНК. На границе экзонов и интронов располагается последовательность нуклеотидов, которая распознается ферментами для вырезания интронов из про-мРНК.

Реализация генетической информации складывается из двух последовательных процессов – транскрипции и трансляции. В клетках прокариот, лишенных ядерной оболочки, эти процессы могут протекать одновременно. У эукариот транскрипция и трансляция пространственно разделены: синтез РНК происходит в ядре, сборка белка – в цитоплазме.

Транскрипция начинается с присоединения фермента РНК-полимеразы к промотору. В этом месте происходит раскручивание двойной спирали ДНК. РНК-полимераза перемещается вдоль матрицы и собирает из свободных нуклеотидов новую цепь в соответствии с принципом комплементарности: А-У, Г-Ц, Т-А. Фермент считывает информацию, записанную только в одной из цепей ДНК (кодирующая цепь). Синтез идет непрерывно вплоть до терминатора. Здесь фермент и РНК-продукт отделяются, а ДНК восстанавливает исходную двуцепочечную структуру.

Поскольку структурные гены эукариот имеют мозаичное строение, образовавшийся в ходе транскрипции продукт содержит экзоны и интроны. Для последующего синтеза белка из матрицы должны быть удалены некодирующие фрагменты – интроны. Процесс превращения первичных продуктов транскрипции (про-мРНК) в зрелые мРНК называется процессингом. Он складывается из удаления интронов и сшивания (сплайсинга) экзонов. Экзоны обычно соединяются в том же порядке, в котором они располагались в ДНК. В некоторых случаях в зрелых мРНК обнаруживается несколько вариантов соединения одних и тех же экзонов – альтернативный сплайсинг. Благодаря такому комбинированию экзонов один ген может кодировать несколько структурно сходных, но функционально разных белков. После всех преобразований зрелая мРНК транспортируется из ядра в цитоплазму.

В ходе трансляции нуклеотидная последовательность мРНК должна быть переписана в виде аминокислотной последовательности белка. Это обеспечивается определенной системой шифровки – генетическим кодом. Генетический код –система записи генетической информации о порядке расположения аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов мРНК, переписанных с ДНК. Единицей кода является кодон. Кодон – три соседних нуклеотида, обеспечивающие постановку специфической аминокислоты в определенное место полипептида. Генетический код обладает рядом свойств. 1) Триплетность–каждая аминокислота кодируется тремя соседними нуклеотидами – триплетом.2) Вырожденность (избыточность)– возможное количество триплетов – 64 и этого с избытком хватает для кодирования 22 аминокислот. Большинство аминокислот кодируются несколькими кодонами (2-6). Часто смысловыми являются первые два нуклеотида, а третий может быть любым. Триплет АУГ, кодирующий аминокислоту метионин, является стартовым (инициирующим). 3) Специфичностьуклеотида, а третий может быть любым. Триплет АУГ, кодирующий аминокислоту метионин, является стартовым (инициирующим). 3) Специфичность-каждый кодон шифрует определенную аминокислоту. 4) Универсальность–у всех организмов единый генетический код. 5) Неперекрываемость– у эукариот один и тот же нуклеотид входит в состав только одного кодона и не может одновременно входить в состав предыдущего и последующего кодонов. Перекрываемость кода у вирусов обеспечивает компактность упаковки генетического материала, но значительно снижает устойчивость генетической информации при любой мутации. 6) Отсутствие знаков препинания– разделение молекулы мРНК на триплеты происходит только в момент трансляции, т.е. является исключительно функциональным. Если в составе ДНК (а, следовательно, и мРНК) изменится последовательность нуклеотидов, то трансляция при этом не остановится, но белок будет измененным. 7) Наличие кодонов-нонсенс:3 триплета из 64-х не шифруют аминокислот, они разделяют отдельные гены в молекуле ДНК. При попадании этого триплета в рибосому трансляция заканчивается, терминируется, поэтому эти кодоны называются бессмысленными или терминаторами. Терминаторами трансляции в молекуле мРНК являются УАА, УАГ, УГА, что соответствует триплетам АТТ, АТЦ, АЦТ в молекуле ДНК.

Весь генетический материал вируса, клетки или организма называется геномом, то есть геном – это совокупность всех генов и межгенных сегментов ДНК. Геном человека содержит: гены, регуляторные элементы, копии генов (псевдогены), транспозоны и некоторые другие последовательности ДНК. Гены, кодирующие белки, занимают в геноме примерно 1%, гены всех видов РНК - 25-26 %. Основную массу ДНК в геноме человека составляет неинформативная, молчащая ДНК. Большинство генов представлено в геноме виде двух, трех и большего числа копий. Биологический смысл их возникновения состоит в противостоянии повреждающим факторам среды. Если в копии происходит мутация, то экспрессия такой копии прекращается, а в геноме появляется не функционирующий псевдоген(неактивный ген). Транспозоны – сегменты ДНК, способные перемещаться по геному в другие локусы, изменяя экспрессию соседних генов.

Процессы передачи и реализации генетической информации основаны на матричных синтезах, в ходе которых исходная молекула полимера служит матрицей (шаблоном) для синтеза молекулы такого же или другого полимера. В живых организмах встречаются 4 вида матричного синтеза: репликация, прямая транскрипция, обратная транскрипция, трансляция. Репликация– синтез молекулы ДНК на матрице ДНК, в результате получается точная копия исходной ДНК. Прямая транскрипция – синтез РНК на матрице ДНК, обеспечивает перенос генетической информации с ДНК на РНК. Обратная транскрипция – синтез ДНК на матрице РНК, генетическая информация переносится с РНК на ДНК. Обратная транскрипция наблюдается только в ходе жизненного цикла РНК-содержащих вирусов. Трансляция – синтез полипептидной цепи (первичной структуры белковой молекулы) на матрице мРНК, генетическая информация переносится с мРНК на белок.