Строение гена

1.

2. План лекции

Эволюция концепции гена.
2. Структура, локализация и функции генов.
3. Классификация и строение эукариотных
генов.
4. Особенности организации генов прокариот.
1.

3.

4.

1. Эволюция концепции гена
G. Mendel
Понятие о наследственных факторах
W.Johannsen,
1909
Ген – элементарная неделимая единица
наследственности
G.W.Beadle,
E.L.Tatum,
1945
Гипотеза “Один ген – один фермент”
Ingram, 1957
Гипотеза “Один ген – один полипептид”
P.A.Sharp, 1977
W.Gilbert, 1978
Экзон – интронное строение генов у
эукариот

5. 2. Современная концепция гена?

6. Физическое определение – ген это участок хромосомы, который содержит последовательность нуклеотидов

7. Функциональное определение- ген это информационная единица, которая обеспечивает синтез РНК

8. Генетическое определение – ген это единица наследственности, которая определяет отдельный признак организма

9. Ген – участок ДНК, содержащий информацию о синтезе: - полипептидной цепи; -   родственных полипептидныхцепей; -  молекул РНК (тРНК, рРНК).

Ген – участок ДНК, содержащий информацию о
синтезе:
- полипептидной цепи;
- родственных полипептидныхцепей;
- молекул РНК (тРНК, рРНК).
Ген является структурной и
функциональной единицей
наследственности и изменчивости
организмов

10. Общее строение генов

11. Локализация генов:

Гены расположены вдоль молекулы ДНК;
Гены представлены уникальными и
повторяющимися последовательностями;
Гены разделены некодирующими
последовательностями (spacer);
Гены не располагают строгими морфологическими
рамками ; они разделены лишь функционально;
Размеры генов варьируют.

12. Функции генов:

На молекулярном уровне – контроль синтеза
полипептида, образование функциональных белков
На клеточном уровне – образование клеточных
структур, метаболической цепи и др.
На тканевом и органном уровне – реализация
специфических функций (дыхание, питание,
мышечное сокращение и др.)
На уровне организма определение специфического
признака

13.

14.

Количество и размер генов у разных организмов
Размер
генома,
p.n.
Средний
размер
гена, kb
Приблизительное количество
генов
Escherichia coli
4.2 x 106
1.2
2.350
Saccharomyces
cerevisiae
1.3 x 107
1.7
5.200
Drosophila
melanogaster
1.4 x 108
11.3
8.000
Homo sapiens
3.16 x 109
16.3
30 000-40 000
Вид

15.

Размер генома человека– 3,3 x 109 p.n.
- 2% генома человека кодирует белки
- количество генов ≈ 30 000 пар
- локализация генов – в хромосомах (37 генов в
митохондриях)
- в 1-й хромосоме больше всего генов – 2968
- в Y хромосоме меньше всего генов – 307
- выполняемые функции известны для более 50%
генов
- Размер генов – в среднем 10-15kb
- ген β-глобина
– 1,5 kb
- ген инсулина
– 1,7 kb
- ген каталазы
– 34 kb
- ген дистрофина
– 2,4 Mb

16. 3.Классификация генов у эукариот

Гены класса I – кодируют рРНК
(5.8S; 18S; 28 S);
Гены класса II – кодируют белки,
транскрибируются в мРНК;
Гены класса III – кодируют 5S
рРНК и тРНК.

17.

Структура генов класса II

18.

Структурный
ген–
представляет
комплекс
последовательностей ДНК с генетической и регуляторной
функцией, обеспечивающий передачу информации в
признак – pполипептид.
Кодирующий
участок
- экзоны
- интроны
Регуляторный
участок
1.Промотор
- проксимальные элементы (ТАТА, СААТ,
GC)
- дистальные элементы (Enh, S)
2. Терминаторr
- сигнальный участок,
- участок для полиаденилирования,
- терминатор

19. Кодирующий участок

Site- инициации с кодоном ATG.
Кодирующий участок:
- eэкзоны,
- интроны.
• Экзоны – кодирующие участки генов которые
транскрибируются в мРНК и реализуются в
последовательности аминокислот в молекуле
белка.
•Интроны – неинформационные участки,
которые транскрибируются, но затем удаляются
в процессе созревания мРНК.

20.

Функции интронов
Классическая
концепция
Разделение экзонов
Современная
концепция
Кодируют
биополимеры (snARN)
Участвуют в
(самоудаление
ДНК )
Ископаемые эволюции
ДНК
sрlising-ге
учестков
Обеспечивают
экспрессию генов

21. Размеры экзонов и интронов в различных генах человека

Продукт
гена
Размер
гена
(kb)
Кол-во
экзонов
3
Средний
размер
экзонов
(pn)
155
Средний
размер
интронов
(pn)
480
Инсулин
1,4
β-глобин
1,6
3
150
490
Коллаген
31
118
77
190
Фактор VIII 186
26
96
3500
Дистрофин 2400
79
180
30 000

22. Промотор

Специальный участок на конце 5´ гена,
который отвечает за прикрепление РНКполимеразы и инициацию транскрипции.
Включает:
- ТАТА бокс – обеспечивает правильную
ориентацию РНК-полимеразы,
- СААТ бокс – управляет прикрепление
инициирующих белков к РНК-полимеразе,
- GC бокс – определяет направление
транскрипции,
- октамерный бокс– участки для прикрепления
факторов транскрипции.

23.

Структурные элементы промотора генов эукариот
Структурный
элемент
Последовательность
Локализация
Размер ДНК
Факторы
транскрипции
TATA-box
TATAAAA
- 30
10 p.n.
TBP
CAAT-box
GGCCAATCT
- 75
22 p.n.
CTF/NF1
GC-box
GGGCGG
- 90
20 p.n.
SP1
Octamer
ATTTGCAT
20 p.n.
Oct1, Oct2

24.

Терминатор
• расположен на конце 3´кодогенной цепи и
представлен обратным повтором

25. Модулирующие участки Enh, S

• расположены на конце 5´или в интронах,
• служат для прикрепления специальных
белков, которые увеличивают или уменьшают
скорость транскрипции.

26.

Структура генов класса I (рРНК)
• кодируют 5,8S; 18S; 28S РНК,
• расположены вблизи организатора ядрышка,
• организованы в смешанных транскриптах с
умеренными повторами (до 200-300 раз) и
разделенв spacer-ами,
• не содержат интронов,
• промотор расположен на растоянии - 45+20

27.

Организация генов классаIII
• кодируют 5S рРНК и тРНК,
• организованы в виде повторяющихся тандемов (до
3000 раз),
• промотор расположен внутри транскрибируемого
участка (+55+80),
• смешивается с псевдогенами.

28. 4. Особенности генетического материала у прокариот

Геном бактерий состоит из двух типов генов:
• основные гены (эухромосомные) – расположены в
бактериальной хромосоме
• вспомогательные гены (внехромосомные) – плазмиды,
мобильные генетические элементы, фаги
ДНК имеет кольцевую форму,
Молекула ДНК не образует комплекса с гистоновыми и
негистоновыми белками (голая),
Геном бактерий представлен ограниченным
количеством генов,
Геном бактерий содержит одну группу сцепления

29. 4. Особенности генетического материала у прокариот (продолжение)

Бактерии являются гаплоидными организмами, но могут
быть частично диплоидными или диплоидными в
зависимости от синтеза ДНК,
Передача наследственных признаков отличается от таковой
у эукариот, т.к. отсутствует классический половой процесс,
Структурные гены имеют более простую организацию и
объединены в опероны,
Оперон имеет промотор и несколько структурных генов,
Интроны отсутствуют, а некодифицирующих участков очень
мало

30. Характеристика генома E.coli

ДНК имеет кольцевую форму,
Длина ДНК: 1000-1400 μm,
Диаметр молекулы ДНК: 2,5 nm,
Количество нуклеотидов: 2,5 · 109- daltoni,
Количество генов: около 4 000,
Разнообразие плазмид – около 250 типов.

31. Разнообразие прокариотных генов

Структурные гены
• определяют первичную структуру белков (около 90% из
всех генов),
• в геноме могут быть организованы в опероны (Jacob,
Monod, 1961)
Регуляторные гены
• определяют активность структурных генов посредством
своего продукта (репрессор или апорепрессор),
Операторные гены
• представляют рецепторы для сигналов (репрессора или
индуктора) обеспечивают функционирование оперона,
• являются составной частью оперона,

32. Разнообразие прокариотных генов (продолжение)

Промотор
• представляет участок оперона к которому прикрепляется
РНК-полимераза и определяет начало транскрипции,
Терминатор
• представляет участок оперона который сигнализирует об
окончании процесса транскрипции генетической
информации,
Репликатор
• представляет функциональные участки ДНК которые
управляют rрепликацией,
Инициатор
• ген определяющий синтез продукта который при
взаимодействии с репликатором инициирцет репликацию
ДНК,

33. Разнообразие прокариотных генов (продолжение)

Участки инициации
• малые фрагменты ДНК (1-2 гена: около 800-1400
нуклеотидов) которые могут передвигаться в
бактериальном геноме либо сами, либо в комплексе с
структурными генами (транспозоны),
Гены рРНК и тРНК
• определяют синтез рРНК (10-20 генов) и тРНК (около 50
генов),
Участки связывания
• фрагменты ДНК которые прикрепляются к
цитоплазматической мембране (мезосомы),
Криптические (молчащие) гены
• гены которые обычно не проявляются на протяжении
жизни бактерий.

34.

Строение оперона у прокариот
(F.Jacob, J.Monod, 1961)

35.

Строение генов рРНК и тРНК у прокариот
организованы в смешанных транскриптах и
разделены spaceri- ми,
“разбросаны” по геному и транскрибируются
одновременно с другими генами

36. Транспозоны (мобильные генетические элементы)

Участки ДНК, способные передвигаться по геному.
У эукариот составляют 10-20% генома.
Выделяются простые и сложные транспозоны.

37. Механизмы транспозиции

Нерепликативная транспозиция
Репликативная транспозиция
Ретротранспозиция

38.

39. Генетическая регуляция у прокариот

1. Индукция – данный тип регуляции характерен при синтезе
ферментов катаболизма
• Фиксация белка супрессора к гену оператора при отсутствии
субстрата в клетке и блокирование транскрипции
функциональных генов
• Отсутствие синтеза ферментов которые участвуют в
разложении субстрата
• Прикрепление субстрата (при наличии субстрата!) к репрессору
• Отсутствие прикрепления репрессора к операторному гену
• Активизация структурных генов, транскрипция иРНК и синтез
специфических ферментов для метаболизации субстрата
!!! До тех пор, пока в клетке присутствует субстрат,
постоянно синтетизируется фермент его разлагающий
!!! При истощении субстрата, освобождается репрессор и
блокирует посредством оператора функционирование
структурных генов

40. Генетическая регуляция у прокариот

2. Репрессия – данный тип регуляции характерен при
синтезе ферментов анаболизма
Белок репрессор блокирует оператор в ассоциации с
субстратом
В отсутствии субстрата оператор является свободным
и структурные гены функционируют
Процесс транскрипции иРНК и синтеза необходимых
ферментов продолжается до появления избытка
субстрата
Избыток субстрата связывается с белком репрессором и
блокирует оператор
В итоге, структурные гены инактивируются и синтез
соответствующих ферментов прекращается

41. Генетическая регуляция у эукариот

У эукариот более сложные системы регуляции
активности генов
Регуляция активности генов эукариот осуществляется
различными факторами:
• Наличием ядра, отделенного от цитоплазма двойной
мембраной
• Строением хромосом и наличием комплекса ДНК - гистоны
- Гены активируются одновременно с удалением гистонов гистонгеликазами
• Наличием различных систем регуляции характерных для
организма (главным образом, гормонов)
- Некоторые стероидные гормоны фиксируются в цитоплазме к
специфическим рецепторам и в виде рецептор-гормон проникает в ядро
где дифференциально активируют гены (Watson et al., 1983)

42. Уровни генетической регуляции у эукариот

1. Транскрипционный
• отбираются гены которые будут транскрибироваться в мРНК
2. Созревания мРНК
• определяется способ удаления интронов и сшивания экзонов в
процессе образования мРНК
------------------------------------------------ 3. Транспорт мРНК
• отбираются молекулы зрелой мРНК которая переносится из
ядра в цитоплазму
4. Трансляционный
• отбираются молекулы мРНК которые транслируются в белки
5. Разрушение мРНК
• отбираются молекулы мРНК которые подвергаются
деградации

43. Механизмы транскрипционной регуляции

1. Отрицательная регуляция
• гены функционируют только при наличии белков-репресоров
2. Положительная регуляция
• гены функционируют только при наличии белков-
индукторов
------------------------------------------------!!! Преобладает механизм положительной регуляции, т.к.
экономнее синтезировать белки-индукторы для 7-10%
ДНК, которые транскрибируется в мРНК, чем
синтезировать белки-репресоры для 90-93% генома.

44. Выводы:

• Ген занимает определенное место(локус) в хромосоме
• Ген представляет функциональную единицу генетической
информации
В рамках гена могут происходить рекомбинации (реконы) и
мутации (мутоны)
Существуют функциональные и структурные гены
Структурные гены кодируют белки
Функциональные гены контролируют работу структурных
генов
Расположение триплетов нуклеотидов в структурных генах
соответствует расположению аминокислот в белке,
кодируемым данным геном
Функция гена регулируется внешними и внутренними факторами
Существуют различные системы регуляции активности генов