Биология_Практическая_работа_№5_

1.

Факультет естественных наук
Кафедра общей биологии и биоэкологии
Курс: «Биология»
Практическая работа №5
«Структура и функции гена»

2. Структура и функции гена

1. Развитие представлений о гене. «Теория гена»
Т. Моргана
2. Современные представления о генах
3. Экспрессия гена
4. Регуляция экспрессии гена у эукариот
5. Геном и геномика
6. Мобильные генетические элементы

3.

Развитие представлений о гене. «Теория
гена» Т. Моргана
Первое обобщение представлений о гене принадлежит Т.Г. Моргану, который
один из своих классических трудов назвал «Теория гена» (1926г.):
1. Ген - единица мутации, т.е. ген изменяется как целое.
2. Ген - единица рекомбинации, т.е. кроссинговер никогда не наблюдали в
пределах гена.
3. Ген - единица функции, т.е. все мутации одного гена нарушают одну и ту
же единицу функции.
Развитием третьего положения теории гена стала концепция «один ген – один
фермент», выдвинутая в 40-х гг. ХХ века Дж. Бидлом и Э. Тейтемом,
согласно которой каждый ген определяет структуру кого – либо фермента.

4.

Современные представления о
генах
1) Ген(цистрон) – функциональная единица наследственного материала (ДНК у
организмов и РНК у ряда вирусов).
2) Существует соответствие (коллинеарность) между расположением триплетов
из нуклеотидов в структурных генах и порядком аминокислот в молекуле
полипептида.
3) Внутри гена могут происходить изменения в виде мутаций и рекомбинаций;
минимальные размеры мутона и рекона равны одной паре нуклеотидов.
4) Большинство мутаций не проявляются в фенотипе благодаря системам
репарации ДНК.

5.

5) Существуют структурные и регуляторные гены.
6) Структурные гены несут информацию о последовательности
аминокислот в определенном полипептиде; нуклеотидов в рРНК,
тРНК.
7) Регуляторные гены контролируют и направляют работу
структурных генов.
8) Ген является матрицей для синтеза различных видов РНК, которые
непосредственно принимают участие в синтезе белка.

6.

Современные представления о генах
единица рекомбинации
Элементарная структурная единица гена - пара нуклеотидов. Функциональная единица – кодон –
триплет нуклеотидов. Единица мутации (мутон) и единица рекомбинации (рекон) – пара
нуклеотидов.

7.

Схема строения гена

8.

Классификация генов в зависимости от
выполняемых функций:
Структурные гены – это гены, которые кодируют белок или РНК (рРНК,
тРНК или другие виды РНК).
Регуляторные гены и регуляторные последовательности ДНК – гены,
которые регулируют процессы биосинтеза белка (факторы транскрипции);
промоторы – места присоединения РНК-полимеразы, энхансеры – ускоряют
транскрипцию, сайленсеры – блокируют транскрипцию).

9.

Экспрессия гена
Под экспрессией гена понимают реализацию записанной в нем
наследственной информации. Синтез белка – это процесс,
который обеспечивает реализацию наследственной информации в
клетке.

10.

Особенности экспрессии генов
у прокариот и эукариот

11.

Отличия в организации генома
у прокариот и эукариот
Прокариоты
Эукариоты
ДНК кольцевидной формы, не соединена с ДНК линейная,соединяется с гистоновыми
белками, расположена в цитоплазме
и негистоновыми белками, находится в
ядре клетки
В генах нет интронов
Есть интроны
Мало генов (у кишечной палочки около
4000)
Много генов (у человека около 25000)
Есть опероны
Нет оперонов
Каждый ген окружен группой
регуляторных генов

12. У прокариот ген состоит из экзонов и входит в состав оперонов; у эукариот каждый ген индивидуален и состоит из экзонов и

интронов.
Эукариоты
Прокариоты

13.

Репликация ДНК
Репликация – это синтез молекулы ДНК. Процесс идет перед
делением клетки в синтетическом периоде интерфазы.
Суть процесса: фермент геликаза разрывает водородные связи
между двумя цепями ДНК и раскручивает ДНК. На каждой
материнской цепи по принципу комплементарности
синтезируется дочерняя цепь. Процесс катализирует фермент
ДНК-полимераза.

14.

Транскрипция– процесс синтеза иРНК
Фермент РНК-полимераза (зеленая)
Движется вдоль молекулы ДНК (скрученный тяж)
и «считывает» ее, синтезируя молекулу РНК
(разноцветная лента).
В молекуле РНК интроны показаны серым,
экзоны — яркими цветами.
Вырезанные фрагменты РНК уплывают вдаль,
облепленные разнообразными полупрозрачными
РНК-связывающими белками.

15.

Фермент РНК-полимераза

16.

Особенности транскрипции у эукариот
Ген эукариот состоит из экзонов и интронов. Интроны – не
кодируют белок. Они вырезаются из иРНК.
Транскрипция включает два этапа:
1) Синтез про-иРНК (незрелой иРНК).
2) Процессинг-созревание иРНК.
Процессинг включает:
• сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов),
• образование кэпа и поли-А-хвоста. Кэп (модифицированный
гуанин) прикрепляется к начальному концу иРНК, поли-А-хвост –
большое количество А-нуклеотидов прикрепляются к концу иРНК.
Кэп и хвост обеспечивают стабильность иРНК в цитоплазме.

17.

Строение гена эукариот, кодирующего белок

18.

Схема транскрипции у эукариот

19.

Кэпирование и полиаденирование

20.

Альтернативный
сплайсинг
Один ген может давать
несколько м-РНК в
результате различных
комбинаций экзонов:
1 м- РНК
Экзоны
123456789
2 м- РНК
Экзоны
53628197

21.

Трансляция
Трехмерная модель
рибосомы:
1-большая субчастица,
2 – малая субчастица
Трансляция - перевод последовательности
триплетов мРНК в последовательность
аминокислот в белке.
Происходит на рибосомах шероховатой
ЭПС, полисомах цитоплазмы, в митохондриях
и пластидах.
Рибосомы состоят из 2-х субъединиц,
которые формируются в ядрышке из рРНК и
белка. Малые и большие субъединицы
рибосом поступают в цитоплазму отдельно
друг от друга.

22.

Рекогниция
Рекогниция - процесс
узнавания т-РНК своей
аминокислоты при участии
фермента аминацил-т-РНКсинтетазы и АТФ.
В клетках эукариот около 50 видов тРНК (в связи с
избыточностью генетического кода). Каждая тРНК имеет
антикодон (для взаимодействия с кодоном иРНК) и
акцепторный участок (куда присоединяется аминокислота).

23.

Этапы трансляции

24.

Полирибосомы
Полирибосомы (полисомы) –
синтезирующие белок
внутриклеточные комплексы,
каждый из которых состоит из
молекулы мРНК и многих
связанных с ней рибосом.

25.

Посттрансляционная модификация белков
Переход первичной
структуры полипептида в
третичную структуру.
Фолдинг белков – процесс, при
котором белок принимает характерную
для его функционирования
пространственную структуру
(нативное состояние).
Факторами фолдинга являются
молекулярные шапероны и
шаперонины (шапероны (дуэньи) дамы пожилого возраста,
сопровождающие девушку на балах).

26.

Ферменты фолдинга
Шаперо́н (англ. chaperones) — класс
белка, главная функция которого состоит в
восстановлении правильной нативной
третичной или четвертичной структуры
белка, а также образование и диссоциация
белковых комплексов.
Шаперон E. coli.

27.

Ферменты фолдинга
Шаперонины - сложные белки, состоящие из
большого количества субъединиц.
Они похожи на стаканчик с полостью внутри.
В эту полость помещается принесенная
шаперонами полипептидная цепь, после чего
«стаканчик» закрывается «крышечкой».
Попавшая внутрь шаперонина молекула
оказывается полностью изолированной и
получает возможность без помех осуществить
стадию медленного сворачивания.

28.

Убиквитин
Убиквити́н (от англ. ubiquitous
«вездесущий») - небольшой (8,5 кДа)
консервативный белок эукариот,
участвующий в регуляции процессов
внутриклеточной деградации других
белков, а также в модификации их
функций.
Молекулы убиквитина (оранжевые и
розовые) присоединены к белку Src
(голубой), направляя его к деградации.
3D-молекула
убиквитина

29.

IV. Регуляция экспрессии гена у эукариот
Экспрессия – «работа» гена (перевод генетической
информации в белковую молекулу). В каждой клетке у
эукариот экспрессируется 7-10% всех генов.
Остальные гены находятся в репрессированном
(неактивном) состоянии.
У эукариот преобладает так называемый
позитивный генетический контроль, при котором
основная часть генома репрессирована, и регуляция
идет путем активации необходимых генов.

30.

Эпигенетическая регуляция
Эпигенетика изучает, как по генетической информации
в зиготе за счет различной экспрессии генов может
осуществляться развитие многоклеточного организма.
Все клетки организма сначала тотипотентны.
Затем они получают сигналы, активирующие различные
гены и направляющие их на тот или иной эпигенетический
«маршрут».
В дифференцированных клетках экспрессируются
только гены, необходимые для их специфической
деятельности, они унипотентны.

31.

32.

V. Геном и геномика
Геном - совокупность генетического материала гаплоидного
набора хромосом данного вида. Геном содержит биологическую
информацию, необходимую для построения и поддержания
организма.
Геномика – раздел генетики, посвященный изучению геномов
живых организмов.
Размер эукариотического генома измеряют в парах нуклеотидов
ДНК или пикограммах ДНК на гаплоидный геном. Двадцать две
аутосомы, половые хромосомы Х и Y, митохондриальная ДНК
человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.

33.

Секвенирование
Секвенирование – определение нуклеотидных последовательностей
участков генов, целых генов, тотальной иРНК или полных геномов
организмов.
Большая часть генома человека расшифрована одновременно
Проектом «Геном Человека» и компанией Celera Genomics в 2000 году.
Окончательной датой расшифровки считают 2003 год. Человеческий
геном содержит около 20-25 тыс. активных генов. Кроме генов,
кодирующих белки, человеческий геном содержит тысячи РНК-генов,
кодирующих транспортные РНК, рибосомные РНК, микроРНК и прочие
РНК, не кодирующие белок.

34.

Геном человека
Только 1,1-1,5 % ДНК кодирует белки или
функциональные РНК. Остальная часть является
некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной, но
которая, как оказалось, играет важную роль в регуляции
активности генов.
Типичный ген человека состоит примерно из 28 000
оснований и имеет 8 экзонов. Он кодирует полипептид,
состоящий в среднем из 447 аминокислот.
Самый длинный ген, найденный в геноме человека, это
ген мышечного белка дистрофина, содержащий 2,4 · 106 п.н.

35.

Большая часть генома представлена
нетранскрибируемой (некодирующей)
белок частью (80%), представленной, в
основном, повторяющимися
последовательностями. Это очень
вариабельная и быстро
эволюционирующая часть генома,
выполняющая структурную и
регуляторную функции.

36.

Фракции ДНК в геноме
Однокопейная (уникальная) ДНК – кодируют белки и РНК
Повторяющиеся последовательности ДНК – многократные
повторы:
Тандемно повторяющиеся последовательности ДНК –
располагаются друг за другом (голова к хвосту)
Диспергированнные повторы ДНК
Транспозоны – мобильные элементы генома:
Ретротранспозоны
ДНК-транспозоны
Псевдогены (нефункциональные аналоги структурных генов).

37.

VI. Мобильные генетические элементы
Мобильные генетические элементы (МГЭ) – дискретные
нуклеотидные последовательности ДНК, способные к транспозиции
– перемещению из одного участка хромосомы в другой либо в
другую хромосому. МГЭ присутствуют в геномах всех организмов; их
размеры варьируют от нескольких сотен до нескольких тысяч пар
нуклеотидов. Они могут быть рассеяны по хромосомам или же
группироваться в отдельных (гетерохроматиновых) участках
хромосом.
МГЭ имеют особую структуру, которая позволяет перемещаться в
конкретные реципиентные сайты. После перемещения МГЭ
наследуются как обычные (менделевские) гены.

38. Открытие транспозонов у кукурузы

Барбара Макклинток (США) исследовала
вариации окраски зерна и листьев
кукурузы, и в 1948 г. путём цитологических
и генетических исследований пришла к
выводу, что мобильные участки ДНК,
Ac/Ds-элементы, приводят к
соматическому мозаицизму растений. Она
была первой, кто доказал, что геном
эукариот не статичен, а содержит участки,
которые могут передвигаться. В 1983 году
за эту работу Б. Макклинток получила
Нобелевскую премию.

39. Способы перемещения МГЭ

Мобильные генетические элементы, менее строго
называемые также транспозонами, перемещаются в геноме
следующими способами:
• либо путем транспозиции, то есть эксцизии (вырезанию) из
одного места генома и инсерции (встраиванию) в другое;
• либо за счет дупликаций путем копирования и инсерции
(вставки) новых копий в новые места генома.
Транспозиционные события достаточно редки: 10–4–10–7
событий на клетку за клеточную генерацию, т.к. в клетке
существуют пути их ограничения.

40. Классификация транспозонов

Класс 1. Ретротранспозоны
• Размножаются в геноме посредством копирования и инсерции копий.
• Копирование идет через РНК-посредник и фермент обратная
транскриптаза (сначала строит цепь ДНК по матрице РНК, затем РНК
гидролизуется тем же самым ферментом или отдельной РНКазой, и та
же самая ревертаза достраивает вторую цепь ДНК).

41. LTR-ретротранспозоны

LTR – Long Treminal Repeat - длинные (100–5000 пар
оснований) прямые терминальные повторы.
Они сходны с ретровирусами, но не образуют вирионов, чем от
них и отличаются (потеря функционального гена оболочки).
Встроенные в геном ретротранспозоны функционально не
отличаются от провирусов.

42. Класс 2. ДНК-транспозоны

• ДНК-транспозоны передвигаются по геному способом «вырезать и
вставить» благодаря комплексу ферментов под
названием транспозаза. Информация об аминокислотной
последовательности белка транспозазы закодирована в
последовательности транспозона.
• На концах участков ДНК-транспозона расположены
инвертированные повторы, которые являются особыми участками
узнавания транспозазы, таким образом отличая эту часть генома от
остальных. Транспозаза способна делать двухцепочные разрезы ДНК,
вырезать и вставлять в ДНК-мишень транспозон.

43. МГЭ в геноме

У млекопитающих около 44-48% генома составляют транспозоны
или их остатки.
У человека 44% генома - транспозоны, из них:
• 8%-LTR
• 20%-LINE (около 500 000 копий, из которых только 7 000
полноразмерные, и лишь немногие сохраняют активность)
• 13%-SINE (около 1,5 миллиона копий)
• 3%-ДНК-транспозоны.

44.

Влияние перемещений МГЭ
Изменение активности гена:
• Внедрение мобильных элементов внутрь гена приводит к
выключению гена.
• Может нарушаться регуляция гена, если мобильный элемент
внедряется между оператором и цистроном (у мобильного
элемента есть свой промотор).
• Вставка мобильного элемента может привести к экспрессии
генов, которые не должны в данное время работать.
Наличие мобильных элементов является фактором незаконной
рекомбинации (перетасовываются гены, не имеющие отношения друг к
другу).
Мобильные элементы провоцируют образование хромосомных
мутаций: делеций, инверсий, дупликаций.

45. Эволюционная роль МГЭ

• У прокариот МГЭ вместе с плазмидами и фагами осуществляют
горизонтальный перенос генов, т.е. передачу генетического
материала организму другого вида.
• Молекулярное одомашнивание. Фермент, осуществляющий
перестройку генов иммуноглобулинов, оказался родственником
транспозаз, как и фермент, осуществляющий наращивание
теломеры – теломераза. Растения приручили ген транспозаз для
слежения за длиной светового дня.

46.

Курс подготовил:
Ассистент кафедры
общей биологии и
биоэкологии
Темников Андрей
Андреевич