Молекулярная организация гена

1. Молекулярная организация гена

2.

3.

Геном человека
Ядерный геном
Митохондр.геном
3.3млрд пн, 26000
пар генов
16 600пн, 37 генов
25%
Гены и связанные с ними
последоват.
75%
Внегенная
ДНК
60%
10%
Экзоны
40%
90%
Некодирующие
участки
Псевдогены
Фрагменты
генов
Уникальные
последов.
Интроны,
нетранслир.
послед.
Умеренно и высоко
повтор.последоват.
Тандемы
и кластеры
Разбросанные
повторы

4. Human genome

5.

6. Генетические термины

Ген
Геном
Геномика
Генотип
Плазмотип
Цистрон
Транскрипционная единица (Транскриптон)
Транскриптом
Протеином
Экзон/Интроны
Генная экспрессия

7. Современная концепция рассматривает ген с разных точек зрения:

-Физической
-Функциональной
-Генетической

8. Ген – это участок ДНК, который содержит информацию о синтезе: -         одной полипептидной цепи; -         нескольких

Ген – это участок ДНК, который содержит
информацию о синтезе:
-
одной полипептидной цепи;
-
нескольких родственных полипептидных цепей;
-
молекулы РНК (тРНК, рРНК).

9. Классификация генов

По локализации
По конечному продукту
По особенностям транскрипции
По месту экспрессии
По периоду экспрессии
По количеству копий

10.

Примеры семейств генов
Семейство
Количество копии в геноме
Актин
5 – 30
Тубулин
5 – 15
Гистоны
100 – 1000
Иммуноглобулины
>500

11.

Количество и размеры генов у разных организмов
Размеры
генома,
п.н.
Средние
размеры
гена, kb
Примерное
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
40.000
Вид

12. Общее строение генов

Рис. 1. Общее строение гена

13.

Строение генов 1-го класса (рРНК)
• кодируют 5,8S; 18S; 28S РНК,
• расположены в области ядрышкового
организатора,
• организованы в смешанные транскрипционные
единицы, которые умеренно повторяются (до 200-300
раз) и разделены спейсерами
• не имеют интронов
• промотор расположен на расстоянии -45+20

14.

Строение смешанной транскрипционной
единицы генов первого класса
• Промотор (-45 ... +20)
• Ген 18S
• Ген 5,8S
• Ген 28S
• Терминатор
х
n

15.

Функции генов 1-го класса
На молекулярном уровне – кодируют синтез
молекул рРНК 18S, 5,8S и 28S
На клеточном уровне – обеспечивают
образование рибосомных частиц
На организменном уровне – обеспечивают
синтез белков, необходимых для роста и
развития организма.

16.

Этапы экспрессии генов 1-го класса
1. Активация и транскрипция генов с
образованием пре-рРНК
2. Процессинг пре-рРНК с
образованием рРНК 18S, 5,8S и 28S
3. Сборка рибосомных частиц 40S и
60S
4. Транспорт рибосомных частиц из
ядра в цитоплазму
5. Сборка рабочей рибосомы 80S и
начало трансляции.

17.

Строение генов 2-го класса

18. Особенности строения структурных генов

образуют моноцистронные
транскрипционные единицы
промотор не переписывается и имеет
сложное строение
разделены некодирующими
последовательностями - спейсерами
имеют интроны, которые располагаются
между экзонами.

19. Организация генов 2-го класса

Рис. 3. Организация структурных генов эукариот

20. Размеры экзонов и интронов у ряда генов человека

Продукт
гена
Размеры
гена (kb)
1,4
Кол-во Средние
экзонов размеры
экзона (пн)
3
155
Средние
размеры
интрона(пн)
480
Инсулин
β-глобин
1,6
3
150
490
Коллаген
31
118
77
190
Фактор VIII 186
26
96
3500
Дистрофин 2400
79
180
30 000

21. Функции структурных генов:

На молекулярном уровне – биосинтез
полипептида образование функционального
белка;
На клеточном уровне – образование клеточной
структуры, метаболической цепи, сигнального
пути;
На уровне организма– определенный признак.

22. Этапы экспрессии генов 2-го класса

Активация и транскрипция генов с образованием
пре-мРНК
Процессинг пре-мРНК с образованием зрелой
мРНК
Перенос мРНК из ядра в цитоплазму
Трансляция и синтез полипептидной цепи
Конформация и изменения полипептидной цепи
с образованием функционального белка.

23.

Организация генов 3-го класса
• кодируют 5S РНК и тРНК,
• организованы в виде тандемных повторов (до 3000
раз),
• не имеют интронов,
• промотор расположен внутри транскрибируемой
части (+55+80),
• перемежаются с псевдогенами.

24.

Функции генов 3-го класса
На молекулярном уровне – кодируют синтез
молекул тРНК и рРНК 5S
На клеточном уровне – рРНК 5S
обеспечивают образование рибосомных частиц,
а тРНК обеспечивает чтение генетической
информации и транспорт аминокислот к
рибосомам
На организменном уровне – обеспечивают
синтез белков, необходимых для роста и
развития организма.

25.

Этапы экспрессии генов 5S рРНК
1. Активация и транскрипция генов с
образованием пре-рРНК;
2. Процессинг пре-рРНК с образованием
рРНК 5S;
3. Сборка рибосомных частиц 40S и 60S;
4. Транспорт рибосомных частиц из ядра в
цитоплазму;
Этапы экспрессии генов тРНК:
1. Активация и транскрипция генов с образованием
пре-тРНК;
2. Процессинг пре-тРНК с образованием молекул
различных тРНК;
3. Перенос тРНК из ядра в цитоплазму;
4. Формирование комплекса аминоацил-тРНК ;
5. Чтение генетической информации и синтез
полипептидной цепи

26.

Каждая клетка содержит полный набор генов
(30-40000 пар генов в 46 молекулах ДНК)
Экспрессия – 10% генов
Гены с
постоянной
экспрессией
Гены рРНК
Гены тРНК
Гены
домашнего
хозяйства
Гены с временной Молчащие гены
экспрессией в
зависимости от:
(без
экспрессии)
- типа ткани;
- периода
онтогенеза;
- клеточного
цикла;
- факторов
среды
псевдогены

27.

Псевдогены
• Псевдогены
(pseudogenes)
—
нефункциональные аналоги структурных
генов,
утратившие
способность
кодировать
белок
и
не
экспрессирующиеся в клетке
Псевдогены - это неработающие,
"молчащие" гены, которые возникают в
результате мутаций, выводящих
нормальные "рабочие" гены из строя
Псевдогены представляют собой своеобразную
"историческую хронику", рассказывающую об
образе жизни и адаптациях далеких предков
изучаемого организма.

28.

Псевдогены
1. Дуплицированные псевдогены. Они возникают за
счет дупликаций определенных генов, которые
вследствие этого теряют способность к транскрипции
и трансляции.
2. Процессированные псевдогены. Они возникают в
результате обратной транскрипции с последующим
внедрением образованной комплементарной ДНК в
геном. У них нет промотора и интронов, в ходе эволюции
они могут накапливать различные мутации.
В геноме человека, как полагают, не менее 3 тыс.
последовательностей можно рассматривать в
качестве псевдогенов.

29.

Митохондриальный
геном человека
(плазмотип)
-1-2% генома клетки;
- кольцевая молекула ДНК (2-10 в
одной митохондрии) из 16 569 п.н.
- 37 генов (22 – для тРНК, 2- для
рРНК и 13 структурных),

30.

Особенности митохондриальных генов:
компактное расположение генов,
преобладание кодирующих последовательностей
(99,9%),
отсутствие интронов,
наличие двух полицистронных транскрипционных
единиц,
наследование по материнской линии.
•.

31.

32. Особенности прокариотных генов

ДНК кольцевой формы,
структурные гены имеют более простое строение и
организованы в опероны,
оперон имеет один промотор и несколько структурных
генов,
интроны отсутствуют, а некодирующих
последовательностей очень мало

33.

Строение оперона прокариот

34.

Строение генов для рРНК и тРНК у прокариот
организованы в смешанные транскрипционные
единицы и разделены спейсерами,
рассеяны по геному и транскрибируются
вместе с другими генами

35.

Тип последовательности
Экзоны генов
Содержание,
%
1
Интроны генов
25
Транспозируемые элементы
45
Большие дупликации
5
Простые
(микросателлиты)
повторы 3
Другие
межгенные 20
последовательности

36.

Транспозоны
(мобильные
генетические элементы)

37. Транспозоны (мобильные генетические элементы)

Это последовательности ДНК,
способные перемещаться из
одного места в другое.
У эукариот составляют до 1020% генома.
Различают простые и сложные
транспозоны:
Рис. 10. Структура простого ДНК-транспозона
Рис. 11. Структура сложного транспозона Tn

38. Одной из основных причин рака могут быть транспозоны !!! 29.06.2012

03.10.2012
В работе выполнен
анализ TE вставок в
43 полно-геномных
последовательностях
представителей
клеток пяти
различных форм
рака.

39. Примеры вовлечения ретровирусов в регуляцию генов клеточных белков (2004)

Элемент
HERV-E
HERV-E
HERV-E
HERV-E
HERV-L
ERV II
ERV I
ERV III
LTR + LINE-2
HERV
Ген (промотор)
Функциональная
роль
Mid1
Opitz-syndrome
Аполипротеин С1
Печень и другие
ткани
Эндотелин-В рецептор Плацента
Плелотрофин
Трофобласты
бета1,3Толстая кишка,
галактозилтрансфераз молочная железа
а
BAAT (трансфераза)
Метаболизм
Ароматаза
Плацентарный
эстрогенный синтез
Карбоновая ангидраза Эритроид-карбон
1
метаболизм
Шаперонин (сhaperoni McKausick–
n)
Kaufmanсиндром
INSL4 (семейство
Плацента
инсулинов)

40. Классификация транспозонов

41. Механизмы транспозиции

Консервативная транспозиция
Репликативная транспозиция
Ретротранспозиция

42.

43. Биологическая роль транспозонов

Сайт-специфическая рекомбинация
Индивидуальный полиморфизм ДНК
Инсерционный мутагенез
Геномная настабильность образование ломких
участков ДНК
Эволюция геномов

44. Значение транспозонов в патологии человека

Изменение структуры/ функций генов возникновение
наследственных болезней (гемофилия B, эпилепсия,
retinita pigmentosum, etc)
Увеличивает генетическое разнообразие патогенов
повышает устойчивость к антибиотикам и действию
иммунной системы человека

45. Информация к размышлению…

46. Гены боли

47. Один-единственный ген???

Система болевого восприятия достаточно
сложна — в ней участвует множество рецепторов,
нейронов и нейронных структур.
Трудно было ожидать, что найдется одинединственный ген, отключение которого может
приводить к полной потере болевой
чувствительности.
НО……
Ген (SCN9A) находится на второй хромосоме и
кодирует белок, участвующий в транспорте ионов
натрия через мембраны нейронов, отвечающих за
болевые ощущения.

48. Ген SRY-переключатель пола

49.

Память — одна из психических функций и видов
умственной деятельности, предназначенная
сохранять, накапливать и воспроизводить
информацию.

50. Белки, участвующие в образовании долговременной памяти.

Белки
Функции
Ингибитор фермента
гистондеацетилазы
Высвобождает участок
ДНК от гистоновой
оболочки
Активирует факторы
транскрипции
Фактор транскрипции
Фактор транскрипции.
Инициирует синтез
большого количества
белков.
РКА
CREB – белок
МАРК белок

51.

нейропептид S и
рецептор
нейропептида S
инсулиноподобный
фактор роста II (IGF-II)
и рецепторы ИФР II
Белок NR2B – рецептор
Сертуины
Усиливает и
продлевает
воспоминания
Усиливает и
продлевает память
Образует поры в
мембране, что
улучшает
проникновение ионов
Способны улучшать
синаптическую
пластичность.

52. Ген памяти

I.
Кодирование белка NPAS4.
II. Стимуляция транскрипции и синтеза белков и
облегчения связей между нейронами.
III. Запоминание.

53.

ИФР2 ген расположен на коротком
плече хромосомы 11 в позиции
15.5.
Активация генов,
ответственных за синтез ИФР2
начинается через 20-36 часов
после обучения.

54. Если нужно что то запомнить:

Стоит повторить на следующий день.
Мозг получает допинг.
Больше новых знаний -- больше
белка, который помогает усваивать
информацию.

55. Белки сертуины помогут улучшить память и способности к обучению

Ученые продемонстрировали, что сертуины
повышают синаптическую пластичность,
манипулируя крошечными фрагментами
генетического материала, известными как
микроРНК, которые, как было выявлено в
последнее время, играют важную роль в
регуляции экспрессии генов.
Директор Института обучения и
памяти Пиковера Массачусетского
технологического института
Ли-Хуэй Цай (Li-Huei Tsai).

56. Гены интеллекта

Ген/белок
Хромосомная
локализация
Группа
наблюдения
DTNBP 1
6p23
Больные
шизофренией,
Психически
здоровые люди
Ген/белок
Хромосомная
локализация
Группа
наблюдения
ASPM
1q31
Психически
здоровые люди,
Люди с
микроцефалией

57.

«Общий интеллект универсальная психическая
способность, в основе
которой может лежать
генетически обусловленное
свойство нервной системы
перерабатывать информацию
с определенной скоростью и
точностью»,
- Х. Айзенк.

58.

Почти каждый из нас хотя бы раз
задавался вопросом , - А существуют ли
вампиры? Вампиры являются
популярнейшими персонажами
художественной литературы и жанрового
кинематографа. Историки и социологи не
одно десятилетие спорят о культурных
истоках «вампиризма». А вот ученые-генетики
давно уже обнаружили материальное
объяснение легендарного мифа – болезнь
«порфирию», одну из самый загадочных
болезней в истории человечества.

59. Гены порфирии и “вампиры”

Ген
протопорфириноген
оксидазы

60. А есть ли гены???

Интуиции
Альтруизмa
Доброжелательности
Одиночества
Счастья
…