В 1988 г. в США по инициативе лауреата Нобелевской премии Джеймса Уотсона и в 1989 г. в России под руководством академика Александра Александровича Баева были начаты работы по реализации грандиозного мирового проекта «Геном человека». По масштабам финансирования этот проект сравним с космическими проектами. Целью первого этапа работы было определение полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека. Сотни ученых многих стран мира в течение 10 лет трудились над решением этой задачи. Все хромосомы были «поделены» между научными коллективами стран-участниц проекта. России для исследования достались третья, тринадцатая и девятнадцатая хромосомы.

Весной 2000 г. в канадском городе Ванкувере подвели итоги первого этапа. Было официально объявлено, что нуклеотидная последовательность всех хромосом человека расшифрована. Трудно переоценить значение этой работы, так как знание структуры генов человеческого организма позволяет понять механизмы их функционирования и, следовательно, определить влияние наследственности на формирование признаков и свойств организма, на здоровье и продолжительность жизни. В ходе исследований было обнаружено множество новых генов, чью роль в формировании организма в дальнейшем предстоит изучить более подробно. Изучение генов ведет к созданию принципиально новых средств диагностики и способов лечения наследственных заболеваний. Расшифровка последовательности ДНК человека имеет огромное практическое значение для определения генетической совместимости при 1 пересадке органов, для генетической дактилоскопии и генотипирования.

Но не только для биологии и медицины оказались важны полученные сведения. На основе знаний структуры генома человека можно реконструировать историю человеческого общества и эволюцию человека как биологического вида. Сравнение геномов разных видов организмов позволяет изучать происхождение и эволюцию жизни на Земле.

Что же представляет собой геном человека?

■ Геном человека . Вам уже известны понятия «ген» и «генотип». Термин «геном » впервые был введен немецким ботаником Гансом Винклером в 1920 г., который охарактеризовал его как совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организма. В отличие от генотипа, геном является характеристикой вида, а не отдельной | особи. Каждая гамета диплоидного организма, несущая гаплоидный набор хромосом, по сути, содержит геном, характерный для данного вида. Вспомните наследование признаков у гороха. Гены окраски семени, формы семени, окраски цветка есть у каждого растения, они являются обязательными для его существования и входят в геном данного вида. Но у любого растения гороха, как у всех диплоидных организмов, существует два аллеля каждого гена, расположенные в гомологичных хромосомах. У одного растения это могут быть одинаковые аллели, отвечающие за желтую окраску горошин, у другого - разные, обусловливающие желтую и зеленую, у третьего - оба аллеля будут определять развитие зеленой окраски семян, и так по всем признакам. Эти индивидуальные отличия являются характеристикой генотипа конкретной особи, а не генома. Итак, геном - это «список» генов, необходимых для нормального функционирования организма.

Расшифровка полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека позволила оценить общее число генов, составляющих геном. Оказалось, что их всего около 30-40 тыс., хотя точное число пока не известно. Раньше предполагали, что количество генов у человека раза в 3-4 больше около 100 тыс, поэтому данные результаты стали своего рода сенсацией. У каждого из нас генов всего в 5 раз больше, чем у дрожжей, и всего в 2 раза больше, чем у дрозофилы. По сравнению с другими организмами, мы имеем не так уж много генов. Может быть, существуют какие-то особенности в строении и функционировании нашего генома, которые позволяют человеку быть сложноорганизованным существом?

■ Строение гена эукариот. В среднем на один ген в хромосоме человека приходится около 50 тыс. нуклеотидов. Существуют очень короткие гены. Например, белок энкефалин, который синтезируется в нейронах головного мозга и влияет на формирование наших положительных эмоций, состоит всего из 5 аминокислот. Следовательно, ген, отвечающий за его синтез, содержит всего около двух десятков нуклеотидов. А самый длинный ген, кодирующий один из мышечных белков, состоит из 2,5 млн нуклеотидов.

В геноме человека, так же как и у других млекопитающих, участки ДНК, кодирующие белки, составляют менее 5% от всей длины хромосом. Остальную, большую часть ДНК раньше называли избыточной, но теперь стало ясно, что она выполняет очень важные регуляторные функции, определяя, в каких клетках и когда должны функционировать те или иные гены. У более просто организованных прокариотических организмов, геном которых представлен одной кольцевой молекулой ДНК, на кодирующую часть приходится до 90% от всего генома.

Все десятки тысяч генов не работают одновременно в каждой клетке многоклеточного организма, этого не требуется. Существующая специализация между клетками определяется избирательным функционированием определенных генов. Мышечной клетке не надо синтезировать кератин, а нервной - мышечные белки. Хотя надо отметить, что существует довольно большая группа генов, которые работают практически постоянно во всех клетках. Это гены, в которых закодирована информация о белках, необходимых для осуществления жизненно важных функций клетки, таких как редупликация, транскрипция, синтез АТФ и многие другие.

В соответствии с современными научными представлениями, ген эукариотических клеток, кодирующий определенный белок, всегда состоит из нескольких обязательных элементов. Как правило, в начале и в конце гена располагаются специальные регуляторные участки; они определяют, когда, при каких обстоятельствах и в каких тканях будет работать этот ген. Подобные регуляторные участки дополнительно могут находиться и вне гена, располагаясь достаточно далеко, но, тем не менее, активно участвуя в его управлении.

Кроме регуляторных зон существует структурная часть гена, которая собственно и содержит информацию о первичной структуре соответствующего белка. У большинства генов эукариот она существенно короче регуляторной зоны.

■ Взаимодействие генов . Необходимо отчетливо представлять себе, что работа одного гена не может осуществляться изолированно от всех остальных. Взаимовлияние генов многообразно, и в формировании большинства признаков организма обычно принимает участие не один и не два, а десятки разных генов, каждый из которых вносит свой определенный вклад в этот процесс.

По данным проекта «Геном человека», для нормального развития клетки гладкой мышечной ткани необходима слаженная работа 127 генов, а в формировании поперечно-полосатого мышечного волокна участвуют продукты 735 генов.

В качестве примера взаимодействия генов рассмотрим, как наследуется окраска цветка у некоторых растений. В клетках венчика душистого горошка синтезируется некое вещество, так называемый пропигмент, который под действием специального фермента может превратиться в антоциановый пигмент, вызывающий пурпурную окраску цветка. Значит, наличие окраски зависит от нормального функционирования по крайней мере двух генов, один из которых отвечает за синтез пропигмента, а другой - за синтез фермента. Нарушение в работе любого из этих генов приведет к нарушению синтеза пигмента и, как следствие, к отсутствию окраски; при этом венчик цветков будет белый.

Иногда встречается и противоположная ситуация, когда один ген влияет на развитие нескольких признаков и свойств организма. Такое явление называют плейотропией или множественным действием гена. Как правило, такое действие вызывают гены, функционирование которых очень важно на ранних стадиях онтогенеза. У человека подобным примером может служить ген, участвующий в формировании соединительной ткани. Нарушение в его работе приводит к развитию сразу нескольких симптомов: длинные «паучьи» пальцы, очень высокий рост из-за сильного удлинения конечностей, высокая подвижность суставов, нарушение структуры хрусталика и аневризма (выпячивание стенки) аорты.

■ Взаимодействие неаллельных генов. Известно несколько видов взаимодействия неаллельных генов.

Комплементарное взаимодействие. Явление взаимодействия нескольких неаллельных генов, приводящее к развитию нового проявления признака, отсутствующего у родителей, называют комплементарным взаимодействием. Пример наследования окраски цветка у душистого горошка, приведенный в §-3.14, относится как раз к этому типу взаимодействия генов. Доминантные аллели двух генов (А и В) каждый в отдельности не могут обеспечить синтез пигмента. Антоциановый пигмент, вызывающий пурпурную окраску цветка, начинает синтезироваться только в том случае, когда в генотипе присутствуют доминантные аллели обоих генов (А - В -).

Известным примером комплементарного взаимодействия является наследование формы гребня у кур. Существует четыре формы гребня, формирование которых определяется взаимодействием двух неаллельных генов - А и В. При наличии в генотипе доминантных аллелей только гена А (A_bb) образуется розовидный гребень, наличие доминантных аллелей второго гена В (ааВ_) обусловливает образование гороховидного гребня. Если в генотипе присутствуют доминантные аллели обоих генов (А_В_), образуется ореховидный гребень, а при отсутствии доминантных аллелей (aabb) развивается простой гребень.

Эпистаз . Взаимодействие неаллельных генов, при котором ген одной аллельной пары подавляет проявление гена другой аллельной пары, называют эпистазом. Гены, которые подавляют действие других генов, называют ингибиторами или супрессорами. Гены-ингибиторы могут быть как доминантными (I), так и рецессивными (i), поэтому различают доминантный и рецессивный эпистазы.

При доминантном эпистазе один доминантный ген (I) подавляет проявление другого неаллельного доминантного гена.

Возможны два варианта расщепления по фенотипу при доминантном эпистазе.

1.Гомозиготы по рецессивным аллелям (аа/7) фенотипически не отличаются от организмов, имеющих в своем генотипе доминантные аллели гена-ингибитора.

У тыквы окраска плода может быть желтой (А) и зеленой (а). Проявление этой окраски может быть подавлено доминантным геном-ингибитором (I), в результате чего сформируются белые плоды (А_I_; ааI_).

белая зеленая

F 2: 9/16 A_I_; 3/16 A_ii; 3/16 aaii

белые (12) желтые (3) зеленые (1)

В описанном и аналогичных случаях при расщеплении в F 2 по генотипу 9:3:3:1 расщепление по фенотипу соответствует 12:3:1.

2. Гомозиготы по рецессивным аллелям (aaii) не отличаются по фенотипу от организмов с генотипами А_I_ и ааI_.

У кукурузы структурный ген А определяет окраску зерна: пурпурная (А) или белая (а). При наличии доминантного аллеля гена-ингибитора (I) пигмент не синтезируется.

Р: AAII х aaii

белая белая

F 2:9/16 A_I_; 3/16 aaI_; 1/16 aaii 3/16A_ii

белые (13) пурпурные (3)

В F 2 у 9/16 растений (A_I_) пигмент не синтезируется, потому что в генотипе присутствует доминантный аллель гена-ингибитора (I). У 3/16 растений (ааI_) окраска зерна белая, так как в их генотипе нет доминантного аллеля А, отвечающего за синтез пигмента, и кроме того присутствует доминантный аллель гена-ингибитора. У 1/16 растений (ааii) зерна тоже белые, потому что в их генотипе нет доминантного аллеля А, отвечающего за синтез пурпурного пигмента. Только у 3/16 растений, имеющих генотип A_ii, формируются окрашенные (пурпурные) зерна, так как при наличии доминантного аллеля А в их генотипе отсутствует доминантный аллель гена-ингибитора.

В этом и других аналогичных примерах расщепление по фенотипу в F 2 13:3. (Обратите внимание, что по генотипу расщепление все равно остается прежним - 9:3:3:1, соответствующим расщеплению в дигибридном скрещивании.)

При рецессивном эпистазе рецессивный аллель гена-ингибитора в гомозиготном состоянии подавляет проявление неаллельного доминантного гена.

У льна ген В определяет пигментацию венчика: аллель В - голубой венчик, аллель b - розовый. Окраска развивается только при наличии в генотипе доманантного аллеля другого неаллельного гена – I. Присутствие в генотипе двух рецессивных аллелей ii приводит к формированию неокрашенного (белого) венчика.

розовый белый

F 2: 9/16 B_I_; 3/16 bbI_; 3/16B_ii; 1/16bbii

Голубые (9) розовые (3) белые (4)

При рецессивном эпистазе в этом и других аналогичных случаях в F 2 наблюдается расщепление по фенотипу 9:3:4.

■ Полимерное действие генов (полимерия). Ещё одним вариантом взаимодействия неаллельных генов является полимерия. При таком взаимодействии степень выраженности признака зависит от числа доминантных аллелей этих генов в генотипе: чем больше в сумме доминантных аллелей, тем сильнее выражен признак. Примером такого полимерного взаимодействия является наследование окраски зёрен у пшеницы. Растения с генотипом А 1 А 1 А 2 А 2 имеют тёмно-красные зёрна, растения а 1 а 1 а 2 а 2 - белые зёрна, а растения с одним, двумя или тремя доминантными аллелями – разную степень окраски: от розовой до красной. Такую полимерию называют накопительной или кумулятивной .

Однако существуют варианты и некумулятивной полимерии. Например, наследование формы стручка у пастушьей сумки определяется двумя неаллельными генами – А 1 и А 2 . При наличии в генотипе хотя бы одного доминантного аллеля формируется треугольная форма стручка, при отсутствии доминантных аллелей (а 1 а 1 а 2 а 2) стручок имеет овальную форму. В этом случае расщепление во втором поколении по фенотипу будет 15:1.

Р:а 1 а 1 а 2 а 2 х а 1 а 1 а 2 а 2

треугол. форма овал.форма

F 1:А 1 а 1 А 2 а 2

треугол. форма

F 2:9/16А 1 _А 2 _; 3/16А 1 _а 2 а 2 ; 3/16а 1 а 1 А 2 _; 1/16а 1 а 1 а 2 а 2

треугол. треугол. треуголовал.

форма (9) форма (3) форма (3) форма (1)

треугол. овал

форма (15/16) форма (1/16)

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ОБ ОРГАНИЗАЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИИ
ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
Лектор
Зав.курсом мед.генетики ГОУ ВПО СОГМА Росздрава
Доцент Гетоева Залина Казбековна

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Геном и геномика: определение понятий.
2. Организация генома человека:
- ДНК, как носитель генетической информации: строение, свойства,
принципы кодирования, репликации, мутирования, репарации и
компактизации в клетке;
- ген: представления об организации и функционировании;
- этапы реализации генетической информации;
- многообразие и классификация генов человека;
- принципы формирования хромосомы, морфология хромосом, кариотип;
- механизмы постоянства числа хромосом и равномерность передачи
генетической информации при делении клеток и размножении
организмов.
3. Общая характеристика генома человека.
- размеры, состав и топография элементов генома;
- сранительная характеристика ядерного и митохондриального геномов
- многообразие нуклеотидных последовательностей.

Вопрос 1
Геном и геномика:
определение понятий.

По мере накопления научных сведений о природе генетической информации, менялось как само определение понятия «геном», так и

представления о принципах его организации и
функционирования у различных биологических объектов.
ГЕНОМ
- это полный набор генетической информации любой биологической
системы (таксона, вида, организма, клетки);
- это качественный набор генов, содержащихся в гаплоидном наборе
хромосом клеток определенного биологического вида;
- это вся совокупность нуклеотидных последовательностей клетки
определенного биологического вида;
- это полный состав ДНК организма (его клетки), включая всю
совокупность генов и межгенных участков, содержащий полный набор
инструкций для формирования и функционирования организма на
всех стадиях его онтогенеза.

Понятия «ГЕНОМ» и «ДНК» тождественны, т.е.
ГЕНОМ = ДНК

Геномика
– это система научных знаний в области
молекулярной генетики и молекулярной медицины,
изучающая общие закономерности организации и
функционирования геномов различных биологических
систем и индивидуальные особенности геномов
отдельных организмов.
Основные методы геномики:
секвенирование, картирование и идентификация
генов и внегенных элементов генома.

Геномика
включает несколько самостоятельных направлений изучения геномов:
-
Структурная геномика - изучает последовательность нуклеотидов в
-
Функциональная геномика, или Протеомика, исследует
-
Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации
-
Эволюционная геномика выясняет пути эволюции геномов,
-
Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и
геноме, определяет границы и тонкую структуру генов, межгенных участков и
других структурных элементов генома, т.е. составляет физические и
транскриптные карты организма;
фенотипические проявления каждого участка генома и каждого гена, их
взаимодействие с другими компонентами клетки (полипептидами, протеинами,
сложными белками и белковыми ансамблями);
геномов разных организмов с целью изучения общих закономерностей их
строения и функционирования;
происхождение генетического и биологическогоразнообразия, уточняет нюансы
расообразования, этногенеза, миграции населения и эволюции наследственной
патологии человека;
профилактической медицины на основе знаний геномов человека и патогенных
для него организмов – вопросы генодиагностики, генотерапии и т.д.

ГЕНОМИКА ЧЕЛОВЕКА
изучает геном человека на всех уровнях его организации:
от компонентов нуклеотида, нуклеотидов, кодонов,
частей гена, отдельных генов, межгенных и регуляторных
последовательностей до сложных комплексов генов,
локусов и плеч хромосом, хромосом и целых
хромосомных наборов, включая так же элементы
внехромосомной и внеядерной ДНК.

Вопрос №2
Организация генома человека.
ДНК, как носитель генетической информации: строение,
свойства, принципы кодирования, репликации,
мутирования, репарации, реализации и компактизации
генетической информации.

ДНК – носитель генетической информации
у большинства живых организмов и человека,
может существовать в нескольких формах: А, В, С, Д, Е, Z.
Z-форма: зигзагообразная, с
чередованием право- и левозакрученных
участков, обнаруживается в условиях
высокой концентрации солей, участвует в
регуляции экспрессии генов и рекомбинации
ДНК.
А-форма выявляется в более
обезвоженных средах
и при низком содержании
ионов калия и натрия

Модель Дж. Уотсона – Ф. Крика, 1953г.:
В - форма молекулы ДНК имеет вид правозакрученной спирали,
состоящей из 2-х закрученных вокруг воображаемой центральной оси
полинуклеотидных цепей, соединенных между собой по принципам:
комплементарности и антипараллельности.

В состав ДНК входят 4 вида нуклеотидов дезоксирибонуклеотидов:
Адениловый, Тимидиновый, Цитозиновый, Гуаниновый
Дезоксирибонуклеотид:
- остаток фосфорной кислоты,
- 5-ти углеродный сахар
(2-дезоксирибозу),
- азотистое основание
Азотистые основания:
Пуриновые – Аденин, Гуанин
Пиримидиновые – Тимин, Цитозин
Нуклеозид:
соединение азотистого основания
с дезоксирибозой

Порядок формирования полинуклеотидной цепи
Фермент – ДНК-полимераза
Связь – фосфо-ди-эфирная
или 5 – 3 связь
Полинуклеотидная цепь – полярна:
5 - фосфатный конец
3 – гидроксильный конец
Полинуклеотидная цепь - сахарофосфатный
остов, на котором сидят азотистые основания,
число, состав и порядок расположения
которых уникален для каждой молекулы

Порядок формирования молекулы ДНК
Состав:
2 полинуклеотидные цепи
Принципы:
Комплементарности – формирование
пурин-пиримидиновых пар между
строго определенными нуклеотидами
или их аналогами - А-Т, А-У, Г-Ц.
Антипараллельности –
противоположное направление 3-5
связей в комплементарных цепях.
Связи:
водородные - пурин-пиримидиновые
пары А=Т, Г=Ц,
гидрофобные взаимодействия
Спирализация:
самопроизвольная, право закрученная
за счет смещения одной пары
нуклеотидов относительно следующей
на 36 о

Параметры молекулы ДНК

Свойства молекулы ДНК
как вещества наследственности и изменчивости
а. Хранит генетическую информацию, используя для этого язык в виде
последовательности нуклеотидов – генетической код.
б. Способна к самоудвоению – репликации.
в. Способна изменяться самопроизвольно или под действием
факторов внутренней среды организма и окружающей среды.
г. Способна к репарации – исправлению части возникающих изменений
и восстановлению целостности структуры.
д. Способна изменять степень своей компактизации, или спирализации.
е. Служит матрицей в процессах реализации генетической
информации.
ж. Обеспечивает передачу генетической информации в процессе
клеточного деления и размножения организмов.

а. Кодирование генетической информации
Генетическая информация это информация о последовательности аминокислот
в молекулах пептидов, полипептидов и белков организма.
Генетический код –
это система записи генетической информации
на молекуле ДНК в виде последовательности нуклеотидов.
Сущность генетического кода была полностью раскрыта группой
молекулярных биологов под руководством профессора Георгия
Гамова в лаборатории Ниренберга
(США, Национальный институт здоровья, 1965 г.)

Свойства генетического кода.
Триплетность:
минимально информативной является последовательность
из 3-х следующих друг за другом нуклеотидов:
триплетов ДНК (или кодонов иРНК).
Код включает 64 триплета (или кодона иРНК).
Однозначность, или специфичность:
триплет имеет только один биологический смысл.
3 – некодирующие
выполняют функцию точек окончания информации,
называются также стоп-триплетами, или триплетами терминации:
АТТ (УАА), АТЦ (УАГ), АЦТ (УГА)
61 – кодирующие
выполняют функцию кодирования 20 аминокислот.
1 триплет = 1 аминокислота
Уникальные триплеты - в единственном числе кодируют
аминокислоты и одновременно являющиеся стартовыми триплетами,
т.е. запускающими синтез белка.
ТАЦ (АУГ) - метионин и АЦЦ (УГГ) - триптофан

Свойства генетического кода
Вырожденность:
большинство аминокислот кодируется 2 и большим числом триплетов
ДНК, или кодонов иРНК, называемых триплетами (кодонами)синонимами, различающимися между собой составом третьего, реже –
первого нуклеотида.
Фенилаланин:
Глицин:
Лейцин:
ААА (УУУ)
ЦЦА (ГГУ)
ААТ (УУА)
ААГ (УУЦ)
ЦЦГ (ГГЦ)
ААЦ (УУГ)
ЦЦТ (ГГА)
ГАА (ЦУУ)
ЦЦЦ (ГГГ)
ГАГ (ЦУЦ)
ГАТ (ЦУА)
ГАЦ (ЦУГ)
Универсальность:
у всех живых организмов на Земле одни и те же триплеты ДНК
кодируют одинаковые аминокислоты.
Исключения имеются в коде митохондрий.

Свойства генетического кода.
Непрерывность:
начиная с первого нуклеотида в составе стартового триплета все
последующие триплеты считываются без остановок до точки
терминации.
Неперекрываемость:
триплеты считываются последовательно и каждый нуклеотид
может входить в состав только одного триплета.
Колинеарность:
последовательность аминокислот в белке или полипептиде строго
соответствует последовательности триплетов нуклеотидов в
кодирующем этот пептид фрагменте ДНК.

Таблица генетического кода для ДНК и иРНК

Первое
основание ДНК
(иРНК)
А (У)
Г (Ц)
Т (А)
Ц (Г)
Второе основание ДНК (иРНК)
А (У)
Г (Ц)
Т (А)
Ц (Г)
Третье
основание ДНК
(иРНК)
ААА (УУУ) Фен
АГА (УЦУ) Сер
АТА (УАУ) Тир
АЦА (УГУ) Цис
А (У)
ААГ (УУЦ) Фен
АГГ (УЦЦ) Сер
АТГ (УАЦ) Тир
АЦГ (УГЦ) Цис
Г (Ц)
ААТ (УУА) Лей
АГТ (УЦА) Сер
АТТ (УАА) Стоп
АЦТ (УГА) Стоп
Т (А)
ААЦ (УУГ) Лей
АГЦ (УЦГ) Сер
АТЦ (УАГ) Стоп
АЦЦ (УГГ) Трп
Ц (Г)
ГАА (ЦУУ) Лей
ГГА (ЦЦУ) Про
ГТА (ЦАУ) Гис
ГЦА (ЦГУ) Арг
А (У)
ГАГ(ЦУЦ) Лей
ГГГ (ЦЦЦ) Про
ГТГ (ЦАЦ) Гис
ГЦГ (ЦГЦ) Арг
Г (Ц)
ГАТ (ЦУА) Лей
ГГТ (ЦЦА) Про
ГТТ (ЦАА) Глн
ГЦТ (ЦГА) Арг
Т (А)
ГАЦ (ЦУГ) Лей
ГГЦ (ЦЦГ) Про
ГТЦ (ЦАГ) Глн
ГЦЦ (ЦГГ) Арг
Ц (Г)
ТАА (АУУ) Иле
ТГА (АЦУ) Тре
ТТА (ААУ) Асн
ТЦА (АГУ) Сер
А (У)
ТАГ (АУЦ) Иле
ТГГ (АЦЦ) Тре
ТТГ (ААС) Асн
ТЦГ (АГЦ) Сер
Г (Ц)
ТАТ (АУА) Иле
ТГТ (АЦА) Тре
ТТТ (ААА) Лиз
ТЦТ (АГА) Арг
Т (А)
ТАЦ (АУГ) Мет
ТГЦ (АЦГ) Тре
ТТЦ (ААГ) Лиз
ТЦЦ (АГГ) Арг
Ц (Г)
ЦАА (ГУУ) Вал
ЦГА (ГЦУ) Ала
ЦТА (ГАУ) Асп
ЦЦА (ГГУ) Гли
А (У)
ЦАГ (ГУЦ) Вал
ЦГГ (ГЦЦ) Ала
ЦТГ (ГАЦ) Асп
ЦЦГ (ГГЦ) Гли
Г (Ц)
ЦАТ (ГУА) Вал
ЦГТ (ГЦА) Ала
ЦТТ (ГАА) Глу
ЦЦТ (ГГА) Гли
Т (А)
ЦАЦ (ГУГ) Вал
ЦГЦ (ГЦГ) Ала
ЦТЦ (ГАГ) Глу
ЦЦЦ (ГГГ) Гли
Ц (Г)

б. Репликация, или редупликация ДНК: процесс самоудвоения молекулы ДНК, который осуществляется в синтетическом периоде

интерфазы митотического (клеточного) цикла
при участиии специальных ферментов.
по полуконсервативному механизму
на основе реакций матричного синтеза,
когда каждая из цепей материнской молекулы ДНК
служит матрицей для сборки новой (дочерней) цепи.
Из одной молекулы ДНК образуются две идентичные молекулы,
каждая из которых содержит
старую (материнскую) и новую (дочернюю) цепи.
Количество ДНК в клетке удваивается,
а качество заключенной в ней информации не меняется.

Этапы репликации ДНК

1.
2.
3.
4.
5.
Раскручивание супервитков молекулы ДНК (фермент
топоизомераза).
Разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми
основаниями, разделение цепей и формирование репликативной
вилки (фермент – геликаза);
Удержание молекулы ДНК в одноцепочечном состоянии (ДНКдестабилизирующие белки - SSB);
Сборка новых цепей на матрицах материнских (ферменты – РНКполимеразы или праймазы, ДНК-полимеразы I, II и III):
- непрерывно на матрице лидирующей материнской цепи с
направлением фосфодиэфирных связей от 3 к 5 концу с
использованием одной РНК-затравки, или праймера, и ферментов
РНК-полимеразы и ДНК – полимеразы I.
- фрагментарно на матрице отстающей материнской цепи с
направлением фосфодиэфирных связей от 5 к 3 концу в виде
относительно коротких участков длиной 1000-2000 нуклеотидов –
фрагментов Оказаки, с использованием для каждого фрагмента
собственной РНК-затравки, РНК-полимераз, ДНК-полимеразы II
Деградация и удаление РНК-затравок и сшивание фрагментов
Оказаки между собой (ДНК-полимераза I, ДНК-лигаза).

Схема репликации ДНК

1. Относительно низкая скорость репликации. 2. Каждая молекула ДНК имеет несколько мест репликации – репликонов, т.е.

Особенности репликации ДНК у человека:
1. Относительно низкая скорость репликации.
2. Каждая молекула ДНК имеет несколько мест репликации
– репликонов, т.е. полирепликонна.
3. Реплиация каждой молекулы ДНК происходит до тех
пор, пока соседние репликоны не соединятся.
4. Разные молекулы ДНК реплицируются в разное время, с
разной скоростью и в разной последовательности.
5. К концу S-периода вся ДНК клетки должна удвоиться.

в. Способность ДНК изменяться, или мутировать

Изменчивость – неотъемлемое свойство живых организмов.
Изменения, происходящие на уровня ДНК, условно принято
делить на: полиморфизмы, вариации, предмутации и мутации.
Полиморфизмы – изменения, происходящие на уровне
некодирующих последовательностей ДНК.
Вариации - изменения, происходящие на уровне
факультативных последовательностей ДНК.
Предмутации – изменения, происходящие на уровне
кодирующих последовательностей ДНК, но затрагивающие лишь одну из ее
цепей.
Мутации (истинные) – это изменения генетической информации,
затрагивающие обе цепи ДНК, приводящие к появлению новых вариантов
генов (аллелей) и новых вариантов фенотипических признаков.

Изменения в ДНК возникают при нарушении процессов репликации,
рекомбинации и репарации, т.е. являются ошибками репликации, ошибками
рекомбинации и ошибками репарации.
Изменения в ДНК могут возникать спонтанно (т.е. на фоне
относительно нормального функционирования организма при нормальных
условиях внешней и внутренней среды) или индуцированно (т.е. под
действием вредных мутагенных факторов внешней или внутренней среды).
Мутагенные факторы могут иметь физическую, химическую или
биологическую природу.
Эффект мутагенов, риск и частота возникновения мутаций зависят не
только от вида мутагена, его мутагенной активности, дозы и продолжительности
воздействия, но и от эффективности работы генетически детерминированной
системы детоксикации организма.
Возникающие в ДНК изменения могут носить преходящий характер и
восстанавливаться, либо быть стойкими.
Изменения генетической информации - основа генетического
полиморфизма вида, генетической уникальности индивида, наследственной
патологии, наследственной предрасположенности, канцерогенеза и
некоторых иных форм патологии человека.

г. Репарация способность ДНК восстанавливать структуру.
Репарации подлежат состояния молекулярной гетерозиготности,
или предмутации, при которых изменения затрагивают лишь одну из
цепей молекулы ДНК.
Различают несколько основных механизмов репарации ДНК:
1. Фотореактивация.
2. Темновая, или эксцизионная репарация.
3. Пострепликативная (рекомбинационная) репарация.
4. SOS – репарация.

Фотореактивация – восстановление под действием видимого
света изменений типа тиминовых димеров (Т=Т), возникающих в ДНК клеток,
подвергнутых УФ-излучению.; обеспечивается светозависимым
фотореактивирующим ферментом, который расщепляет тиминовые
димеры.
Темновая, или эксцизионная репарация – не нуждается
в энергии видимого света, осуществляется за счет действия ферментов
(эндонуклеаза, экзонуклеаза, или рестриктаза, ДНК-полимераза,
лигаза), поэтапно: выстригание измененного участка цепи, синтез фрагмента
на матрице нормальной цепи, сшивание восстановленного фрагмента с
остальной цепью.
Пострепликационная, или рекомбинационная репарация –
осуществляется в синтетическом периоде интерфазы митотического цикла
клетки и заключается в том, что участки ДНК, имеющие тиминовые димеры не
реплицируются, оставляя бреши на комплементарной цепи молекуля ДНК,
которые восстанавливаются (т.е. достраиваются) в ходе премитотического
периода с соблюдением принципов комплементарности к участку здоровой цепи.
SOS-репарация - механизм восстановления крупных брешей в цепи
ДНК без соблюдения принципа комплементарности в целях сохранения
целостности молекулы.

Схемы механизмов репарации

д. Способность ДНК изменять степень своей
компактизации
В зависимости от степени компактизации, или спирализации,
на разных фазах митотического цикла клетки ДНК приобретает
разные переходящие друг в друга формы структурной организации:
на стадии интерфазы – хроматиновую, а стадии митоза - хромосомную.
Хроматин – дезоксирибонуклеопротеидный комплекс, в составе
которого ДНК относительно деспирализована, доступна для ферментов,
обеспечивающих считывание заключенной в ней информации.
Хромосомы – дезоксирибонуклеопротеидные структуры, в составе
которых ДНК максимально спирализована и компактна, что обеспечивает
возможность ее равномерного распределения между дочерними клетками.
ИНТЕРФАЗА
ХРОМАТИН
МИТОЗ
ХРОМОСОМЫ

Уровни компактизации ДНК в составе хроматина
Эухроматин Гетерохроматин
Факультативный
1 уровень
нуклеосомный
2 уровень
соленоид, или
хроматиновая
фибрилла
3 уровень
петельные
домены
Конститутивный

Компоненты нуклеосомы

Формирование митотической хромосомы

Строение митотической (метафазной) хромосомы.
Каждая молекула ДНК формирует свою хромосому.
Митотическая хромосома состоит из 2-х хроматид.
Каждая хроматида – 1 молекула ДНК.
Хроматиды 1 хромосомы – 2 идентичные молекулы ДНК, образовавшиеся в
результате репликации.
Число хромосом в клетке равно числу молекул ДНК в ней.
Разные хромосомы различаются по форме, длине,
количеству, набору и порядку расположения генов.

Кариотип – это совокупность
хромосом клеток определенного биологического вида
Кариотипы разных биологических видов различаются числом, формой и
размерами хромосом.
Хромосомный набор вида Homo sapiens содержит 23 пары хромосом.
В соматических клетках человека хромосомный набор
парный (диплоидный – 2n), в половых – одинарный (гаплоидный - n).
Хромосомы одной пары одинаковы по размерам, форме, набору и порядку
расположения генов, называются гомологичными, а не идентичными,
поскольку имеют разное происхождение (1 – отцовская, 2 - материнская), а
следовательно – разный набор аллелей генов.
Гомозиготность
Гетерозиготность
Кариотип – характеристика видовая, поддерживается постоянным в ряду
поколений клеток и организмов благодаря механизмам митоза, мейоза и
оплодотворения (при половом размножении).

Хромосомный набор человека
Классификации хромосом:
Денвер (США) – 1960г.
Лондон (Великобритания) – 1963г.
Чикаго (США) – 1966г.
Группа А: 1– 3 пары аутосом
самые большие мета- и субметацентрики
Группа В: 4 - 5 пары аутосом
большие субметацентрики
Группа С: 6-12 пары аутосом+ Х-хромосома
средние субметацентрики
Группа D: 13-15 пары аутосом
большие акроцентрики
Группа Е: 16-18 пары аутосом
малые субметацентрики
Группа F:19-20 пары аутосом
малые метацентрики
Группа G: 21-22 пары аутосом + У-хромосома:
малые акроцентрики

ж. Способность обеспечивать равномерность
передачи генетической информации
в процессах клеточного деления и размножения организмов
Конъюгация
гомологичных хромосом образование бивалентов
Хромосомы
располагаются
по-отдельности
Расходятся
хроматиды
Вдоль веретена деления
располагаются
биваленты
Расходятся целые
гомологичные хромосомы
Образуются незрелые
половые клетки с n числом
2-хроматидных хромосом
Происходит II деление –
митоз

е. Способность ДНК служить матрицей в процессах
реализации генетической информации.
Реализация генетической информации - это сложный неоднозначный
процесс, в осуществлении которого принимают участие:
фрагменты молекулы ДНК – гены (гены белков, гены рРНК, гены тРНК),
источники энергии (АТФ, ГТФ),
предшественники рибонуклеотидов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ),
рибосомы, разнообразные тРНК,
многочисленные ферменты, специфические факторы контроля и регуляции,
аминокислоты, витамины, ионы металлов и т.д.
Фрагмент спирали ДНК
Рибосома
Аминоацил-тРНК
комплекс

ГЕН:
представления о организации и функционировании

Единицей генетической информации является
ген.
Ген – это участок молекулы ДНК, представляющий собой
определенную последовательность определенного числа нуклеотидов,
которая содержит информацию о возможности формирования
определенного признака и определенной функции в организме или
обеспечивает возможность реализации информации с другого гена.
Ген – это определенная (прерывистая или непрерывная)
последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая информацию об
определенном продукте (полипептиде, рРНК, тРНК), ассоциированная с
регуляторными последовательностями, взаимодействующая с белкамирегуляторами и обеспечивающая возможность формирования признака в
организме.

Организация гена у эукариот
(5 – 3 кодогенная цепь ДНК)
- Большинство генов человека имеет интрон-экзонную структуру.
- Каждый ген имеет определенное количество интронов и экзонов.
- Количество и размеры интронов и экзонов у разных генов различны.
- Суммарные размеры интронов значительно превышают размеры экзонов.
- Каждый ген начинается и заканчивается экзонами.
- На границе экзонов и интронов располагается консенсусная, т.е.
эволюционно консервативная последовательность, которая
распознается ферментами сплайсинга, осуществляющими вырезание
интронов из первичного РНК-транскрипта.

Этапы реализации генетической информации,
или экспрессия гена

Процесс реализации генетической информации, или экспрессия гена
осуществляется в несколько этапов,
часть из которых происходит в ядре, а часть – в цитоплазме:
В ядре:
Транскрипция
Инициация
Элонгация
Терминация
Посттранскрипционный
процессинг
Сплайсинг
Транспорт иРНК из ядра в цитоплазму
В цитоплазме:
Трансляция
Инициация
Элонгация
Терминация
Посттрансляционные
преобразования

Структура гена β-глобина человека и его экспрессия

Молекула β-глобина человека
Первичная структура - последовательность из 146 аминокислот.

Многообразие и классификация
генов человека

По данным программы «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»
в геноме человека насчитыаается чуть более
30 000 генов.

Классификация
1. По структуре:
Содержащие интроны
2. По размерам:
Малые Средние
100 – 5000
5000 – 50 000
Не содержащие интронов
Большие
Гигантские
50 000-150 000
200 000 – 1 000 000
пар нуклеотидов
3. По локализации в хромосоме:
Одиночные
разделены спейсерами
генов человека
Супергигантсткие
более 1 000 000
Сгруппированные
кластеры
(группа последовательно расположенных генов,
занимающих определенный район ДНК или хромосомы,
кластер α-глобиновых и β-глобиновых генов)
супергены
(кластер из большого числа генов, кодирующих
функционально или родственно-связанные белки,
расположенные в сегментах некоторых хромосом,
суперген HLA комплекса)
семейства генов
(группа эволюционно родственных генов,
кодирующих продукты с близкими функциями, могут
располагаться в разных частях генома,
семейство глобиновых генов – α, β, γ, δ, ε, ζ –глобины)

Кластерная локализация глобиновых генов человека

4. По числу копий и значимости генного продукта:
Гены «домашнего хозяйства»
«house keeping gens»
Гены «роскоши»
«luxury gens»
десятки и сотни копий
единицы копий
кодируют общеклеточные
структуры и функции
кодируют тканеспецифические
структуры и функции
работают в большинстве клеток
и постоянно
работают в определенных клетках
на определенных этапах онтогенеза
5. По состоянию активности:
Активные
(транскрибируемые,
экспрессирующиеся)
Неактивные
(нетранскрибируемые,
неэкспрессирующиеся)
Псевдогены

6. По функции:
Структурные
Гены тРНК
Гены рРНК
Гены белков
Регуляторные
С неизвестной функцией
Регуляторы активности других генов
(промоторы, энхарсеры, сайленсеры, мутаторы)
Регуляторы онтогенеза
Регуляторы клеточного размножения (протоонкогены)
- ферментов (более 30%)
- модуляторов белковых функций
(активаторов, стабилизаторов, конформаторов и т.д.)
- гистонов и трансрипционных факторов
- белков внутри- и внеклеточного матрикса
- трансмембранных переносчиков и каналов
- клеточных сигналов, олигопептидов, гормонов
- экстраклеточных переносчиков
- иммуноглобулинов

Вопрос №3
Общая характеристика генома
человека:
размеры, состав и топография элементов.

Геном –
это вся совокупность нуклеотидных последовательностей ДНК
клетки, или организма.
Размеры генома оцениваются по весу и по длине.
Вес суммарной ДНК

6 пикограммов (пк), т.е. 6*10 грамма.
Длина генома измеряется:
в метрических единицах - ангстремах, миллиметрах, сантиметрах, метрах;
по числу точек кроссинговера - в морганидах или сантиморганидах;
по числу пар оснований или нуклеотидов- в базах, килобазах, мегабазах.
1 сМ=1Мб=1 млн. п.о.
Длина полнстью деспирализованной суммарной ДНК
из одной диплоидной соматической клетки человека составляет
110 см, 6.4 * 10 п.о. или 6400 Мб или 6400 сМ

Сравнительные размеры геномов разных организмов
Царство
живого
Вид
организма
Средняя
длина
1 молекулы
Число
генов
хромосо
м
Размеры
гаплоидного генома
пар
оснований
страниц
текста
Вирусы
Бактериофаг
λ
17,2 мкм
60
1
4,9 * 104
30 страниц
Прокариоты
Кишечная
палочка
1400 мкм
3-4 000
1
3,2 * 106
300 страниц
Эукариоты
Дрозофила
12 000 мкм
(мелкая)
5-6 000
8
1*108
10 томов по
1000
страниц
Гепатоцит
человека
30 000 мкм
(средняя)
30 000
46
3,2 * 109
200 томов по
1000
страниц

В составе генома различают
хромосомные и внехромосомные элементы.
Внехромосомные элементы представляют собой разнообразные по
длине, но всегда более короткие, линейные или кольцевые по форме
фрагменты собственной ДНК клетки в виде амплифицированных онкогенов
и генов устойчивости к ядам, лекарственным препаратам и
антиметаболитам, или ДНК эндосимбионтов в виде плазмид, эписом и
вирусных хромосом, которые могут локализоваться в ядре или цитоплазме.
Хромосомные элементы – это последовательности ДНК,
организованные в отдельные постоянные и обязательные структуры клетки –
хромосомы.
Геном человека включает 25 хромосом, из которых:
22 - Аутосомы, 1 - Х-хромосома, 1 - Y-хромосома, 1 - М-хромосома.

С точки зрения постоянства присутствия в геноме различают
облигатные, факультативные и мобильные его элементы.
Облигатные элементы генома – это тот объем нуклеотидных
последовательностей, состав, количество и локализация которых
обязательны и постоянны для всех представителей определенного вида
живых организмов и которые необходимы и достаточны для формирования
присущего этому виду фенотипа.
Факультативные элементы генома – это такие
послеодовательности нуклеотидов, количество, положение и сам факт
наличия которых не является строго обязательным и постоянным для особей
данного биологического вида (те же ампликоы, плазмиды, эписомы, вирусные
хромосомы).
Мобильные элементы генома – это последовательности ДНК,
топография и количество которых может варьировать в разных
представителей одного вида, а также в разных тканях и разных клетках
одного организма. Их называют транспозонами и они могут перемещаться
из одних участков генома в другие

По локализации в клетке геном эукариотов делится на
ядерный (яДНК) и митохондриальный (мтДНК).
Митохондриальный геном – 95% всей ДНК клетки, совокупность
копий М-хромосомы (порядка 10 000).
Ядерный геном – 5% всей ДНК клетки, совокупность ядерных
хромосом.
Состав ядерного генома клеток человека
Соматические
клетки
Половые клетки
Женский
организм
22 пары аутосом + ХХ - гоносомы 22 аутосомы + Х гоносома
Мужской
организм
22 пары аутосом + ХУ - гоносомы 22 аутосомы + Х гоносома
22 аутосомы + У гоносома
Из общего числа Х-хромосом в клетке активна только она.
Все остальные – формируют тельце Х-полового хроматина.

Сравнительная характеристика
ядерного и митохондриального геномов

Ядерный
геном
Митохондриальный
геном
Хромосомы линейной формы.
Состав: ДНК (40%), белки-гистоны (40%), негистоновые белки
(15%) , РНК, полисахариды, липиды, ионы металлов (в сумме
порядка 5%).
Протяженность ДНК 6,4 *10 пар нуклеотидов
Содержат порядка 30-31 тысячи генов, кодирующих весь спектр
ядерных и цитоплазматических белков клетки, основную часть
белков митохондрий (66 субъединиц белков дыхательной цепи) и
различные виды РНК..
Хромосомы кольцевидной формы.
Состав: «голая», т.е. лишенной белков-гистонов, ДНК, небольшое
количество негистоновых белков, РНК, полисахариды, липиды и
т.д.
Протяженность ДНК 16 569 пар нуклеотидов.
Гены М-хромосомы кодирует 2 рибосомные РНК (12S и 16S),
22 транспортные РНК и 13 полипептидов, входящих в состав
комплексов окислительного фосфорилирования.
Доля отцовской и материнской яДНК в зиготе одинакова и
равноценна. Оба родителя в одинаковой мере передают
генетическую информацию потомству.
Доля отцовской мтДНК в зиготе составляет от 0 до 4
митохондрий, а материнских - 2500.
Репликация отцовских митохондрий в зиготе блокируется.
Информация мтДНК наследуется по материнскому типу.
Помимо мутационной, имеет место и комбинативная
изменчивость (за счет разнообразных сочетаний отцовских
и материнских хромосом в процессе меиоза и оплодотворения).
Комбинативная изменчивость мтДНК отсутствует.
Нуклеотидная последовательность мтДНК меняется в
поколениях только за счет мутации.
Гены яДНК имеют прерывистую (интрон-экзонную) структуру.
Объем
некодирующих
внутрии межгенных вставок
огромен (порядка 98% генома).
Гены мтДНК непрерывны, т.е. не содержат интронов.
Объем некодирующих последовательностей нуклеотидов очень
незначительный.
яДНК способна к репарации.
Скорость мутирования ниже, чем в мтДНК.
мтДНК не способна к репарации.
Скорость мутирования в 10 раз выше, чем в яДНК.
В яДНК транскрибируется
цепь.
В
мтДНК
цепи.
или транслируется только одна
транскрибируются или транслируются обе
Кодон:
УГА является стоп-кодоном.
АУА – кодирует изолейцин.
АГА и АГГ- кодируют аргинин
Кодоны:
УГА кодирует триптофан
АУА – кодирует метионин
АГА и АГГ - являются стоп-кодонами
Патологические мутации генов яДНК проявляются
моногенными болезнями с разными типами наследования.
Патологические мутации генов мтДНК ведут к
митохондриальным болезням, которые наследуются в ряду
поколении по материнской линии.

Многообразие
нуклеотидных последовательностей

По числу копий на геном:
Уникальные
Повторяющиеся
70-75%
25-30%
низко5%
1-10
10 –
несколько
100
средне15%
100 - несколько 1000
SINE-повторы
Alu-повторы
LINE –повторы
высоко10%
десятки и сотни
1000 копий
а-сателлитная (альфоидная ДНК)
минисателлитная
микросателлитная

Нуклеотидные последовательности
По функции:
Кодирующие
2%
уникальные и низко повторяющиеся
последовательности
экзоны структурных генов
Некодирующие
98%
умеренно- и высоко повторяющиеся
последовательности
интроны структурных генов
спейсеры
регуляторные гены
последовательности околоцентромерных
и теломерных районов хромосом

Генетика, ее задачи. Наследственность и изменчивость - свойства организмов. Методы генетики. Основные генетические понятия и символика. Хромосомная теория наследственности. Современные представления о гене и геноме

Генетика, ее задачи

Успехи естествознания и клеточной биологии в XVIII-XIX веках позволили ряду ученых высказать предположения о существовании неких наследственных факторов, определяющих, например, развитие наследственных болезней, однако эти предположения не были подкреплены соответствующими доказательствами. Даже сформулированная Х. де Фризом в 1889 году теория внутриклеточного пангенеза, которая предполагала существование в ядре клетки неких «пангенов », определяющих наследственные задатки организма, и выход в протоплазму только тех из них, которые определяют тип клетки, не смогла изменить ситуацию, как и теория «зародышевой плазмы» А. Вейсмана, согласно которой приобретенные в процессе онтогенеза признаки не наследуются.

Лишь труды чешского исследователя Г. Менделя (1822-1884) стали основополагающим камнем современной генетики. Однако, несмотря на то, что его труды цитировались в научных изданиях, современники не обратили на них внимания. И лишь повторное открытие закономерностей независимого наследования сразу тремя учеными — Э. Чермаком, К. Корренсом и Х. де Фризом — вынудило научную общественность обратиться к истокам генетики.

Генетика — это наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости и методы управления ими.

Задачами генетики на современном этапе являются исследование качественных и количественных характеристик наследственного материала, анализ структуры и функционирования генотипа, расшифровка тонкой структуры гена и методов регуляции генной активности, поиск генов, вызывающих развитие наследственных болезней человека и методов их «исправления», создание нового поколения лекарственных препаратов по типу ДНК-вакцин, конструирование с помощью средств генной и клеточной инженерии организмов с новыми свойствами, которые могли бы производить необходимые человеку лекарственные препараты и продукты питания, а также полная расшифровка генома человека.

Наследственность и изменчивость - свойства организмов

Наследственность — это способность организмов передавать свои признаки и свойства в ряду поколений.

Изменчивость — свойство организмов приобретать новые признаки в течение жизни.

Признаки — это любые морфологические, физиологические, биохимические и иные особенности организмов, по которым одни из них отличаются от других, например цвет глаз. Свойствами же называют любые функциональные особенности организмов, в основе которых лежит определенный структурный признак или группа элементарных признаков.

Признаки организмов можно разделить на качественные и количественные . Качественные признаки имеют два-три контрастных проявления, которые называют альтернативными признаками, например голубой и карий цвет глаз, тогда как количественные (удойность коров, урожайность пшеницы) не имеют четко выраженных различий.

Материальным носителем наследственности является ДНК. У эукариот различают два типа наследственности: генотипическую и цитоплазматическую . Носители генотипической наследственности локализованы в ядре и далее речь пойдет именно о ней, а носителями цитоплазматической наследственности являются находящиеся в митохондриях и пластидах кольцевые молекулы ДНК. Цитоплазматическая наследственность передается в основном с яйцеклеткой, поэтому называется также материнской.

В митохондриях клеток человека локализовано небольшое количество генов, однако их изменение может оказывать существенное влияние на развитие организма, например приводить к развитию слепоты или постепенному снижению подвижности. Пластиды играют не менее важную роль в жизни растений. Так, в некоторых участках листа могут присутствовать бесхлорофильные клетки, что приводит, с одной стороны, к снижению продуктивности растения, а с другой — такие пестролистные организмы ценятся в декоративном озеленении. Воспроизводятся такие экземпляры в основном бесполым способом, так как при половом размножении чаще получаются обычные зеленые растения.

Методы генетики

1. Гибридологический метод, или метод скрещиваний, заключается в подборе родительских особей и анализе потомства. При этом о генотипе организма судят по фенотипическим проявлениям генов у потомков, полученных при определенной схеме скрещивания. Это старейший информативный метод генетики, который наиболее полно впервые применил Г. Мендель в сочетании со статистическим методом. Данный метод неприменим в генетике человека по этическим соображениям.

2. Цитогенетический метод основан на исследовании кариотипа: числа, формы и величины хромосом организма. Изучение этих особенностей позволяет выявить различные патологии развития.

3. Биохимический метод позволяет определять содержание различных веществ в организме, в особенности их избыток или недостаток, а также активность целого ряда ферментов.

4. Молекулярно-генетические методы направлены на выявление вариаций в структуре и расшифровку первичной последовательности нуклеотидов исследуемых участков ДНК. Они позволяют выявить гены наследственных болезней даже у эмбрионов, установить отцовство и т. д.

5. Популяционно-статистический метод позволяет определить генетический состав популяции, частоту определенных генов и генотипов, генетический груз, а также наметить перспективы развития популяции.

6. Метод гибридизации соматических клеток в культуре позволяет определить локализацию определенных генов в хромосомах при слиянии клеток различных организмов, например, мыши и хомяка, мыши и человека и т. д.

Основные генетические понятия и символика

Ген — это участок молекулы ДНК, или хромосомы, несущий информацию об определенном признаке или свойстве организма.

Некоторые гены могут оказывать влияние на проявление сразу нескольких признаков. Такое явление называется плейотропией . Например, ген, обусловливающий развитие наследственного заболевания арахнодактилии (паучьи пальцы), вызывает также искривление хрусталика, патологии многих внутренних органов.

Каждый ген занимает в хромосоме строго определенное место — локус . Так как в соматических клетках большинства эукариотических организмов хромосомы парные (гомологичные), то в каждой из парных хромосом находится по одной копии гена, отвечающего за определенный признак. Такие гены называются аллельными .

Аллельные гены чаще всего существуют в двух вариантах — доминантном и рецессивном. Доминантной называют аллель, которая проявляется вне зависимости от того, какой ген находится в другой хромосоме, и подавляет развитие признака, кодируемого рецессивным геном. Доминантные аллели обозначаются обычно прописными буквами латинского алфавита (A, B, C и др.), а рецессивные — строчными (a, b, c и др.). Рецессивные аллели могут проявляться только в том случае, если они занимают локусы в обеих парных хромосомах.

Организм, у которого в обеих гомологичных хромосомах находятся одинаковые аллели, называется гомозиготным по данному гену, или гомозиготой (AA, aa, ААBB, ааbb и т. д.), а организм, у которого в обеих гомологичных хромосомах находятся разные варианты гена — доминантный и рецессивный — называется гетерозиготным по данному гену, или гетерозиготой (Aa, АаBb и т. д.).

Ряд генов может иметь три и более структурных варианта, например группы крови по системе AB0 кодируются тремя аллелями — I A , I B , i. Такое явление называется множественным аллелизмом. Однако даже в этом случае каждая хромосома из пары несет только одну аллель, то есть все три варианта гена у одного организма не могут быть представлены.

Геном — совокупность генов, характерная для гаплоидного набора хромосом.

Генотип — совокупность генов, характерная для диплоидного набора хромосом.

Фенотип — совокупность признаков и свойств организма, которая является результатом взаимодействия генотипа и окружающей среды.

Поскольку организмы отличаются между собой многими признаками, установить закономерности их наследования можно только при анализе двух и более признаков в потомстве. Скрещивание, при котором рассматривается наследование и проводится точный количественный учет потомства по одной паре альтернативных признаков, называется моногибридны м, по двум парам — дигибридным , по большему количеству признаков — полигибридным .

По фенотипу особи далеко не всегда можно установить ее генотип, поскольку как гомозиготный по доминантному гену организм (АА), так и гетерозиготный (Аа) будет иметь в фенотипе проявление доминантной аллели. Поэтому для проверки генотипа организма с перекрестным оплодотворением применяют анализирующее скрещивание — скрещивание, при котором организм с доминантным признаком скрещивается с гомозиготным по рецессивному гену. При этом гомозиготный по доминантному гену организм не будет давать расщепления в потомстве, тогда как в потомстве гетерозиготных особей наблюдается равное количество особей с доминантным и рецессивным признаками.

Для записи схем скрещиваний чаще всего применяются следующие условные обозначения:

Р (от лат. парента — родители) — родительские организмы;

$♀$ (алхимический знак Венеры — зеркало с ручкой) — материнская особь;

$♂$ (алхимический знак Марса — щит и копье) — отцовская особь;

$×$ — знак скрещивания;

F 1 , F 2 , F 3 и т. д. — гибриды первого, второго, третьего и последующих поколений;

F а — потомство от анализирующего скрещивания.

Хромосомная теория наследственности

Основоположник генетики Г. Мендель, равно как и его ближайшие последователи, не имели ни малейшего представления о материальной основе наследственных задатков, или генов. Однако уже в 1902-1903 годах немецкий биолог Т. Бовери и американский студент У. Сэттон независимо друг от друга предположили, что поведение хромосом при созревании клеток и оплодотворении позволяет объяснить расщепление наследственных факторов по Менделю, т. е., по их мнению, гены должны быть расположены в хромосомах. Данные предположения стали краеугольным камнем хромосомной теории наследственности.

В 1906 году английские генетики У. Бэтсон и Р. Пеннет обнаружили нарушение менделевского расщепления при скрещивании душистого горошка, а их соотечественник Л. Донкастер в экспериментах с бабочкой крыжовенной пяденицей открыл сцепленное с полом наследование. Результаты этих экспериментов явно противоречили менделевским, но если учесть, что к тому времени уже было известно о том, что количество известных признаков для экспериментальных объектов намного превышало количество хромосом, а это наводило на мысль, что каждая хромосома несет более одного гена, а гены одной хромосомы наследуются совместно.

В 1910 году начинаются эксперименты группы Т. Моргана на новом экспериментальном объекте — плодовой мушке дрозофиле. Результаты этих экспериментов позволили к середине 20-х годов XX века сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности, определить порядок расположения генов в хромосомах и расстояния между ними, т. е. составить первые карты хромосом.

Основные положения хромосомной теории наследственности:

1. Гены расположены в хромосомах. Гены одной хромосомы наследуются совместно, или сцепленно, и называются группой сцепления . Число групп сцепления численно равно гаплоидному набору хромосом.
2. Каждый ген занимает в хромосоме строго определенное место — локус.
3. Гены в хромосомах расположены линейно.
4. Нарушение сцепления генов происходит только в результате кроссинговера.
5. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.
6. Независимое наследование характерно только для генов негомологичных хромосом.

Современные представления о гене и геноме

В начале 40-х годов ХХ века Дж. Бидл и Э. Тейтум, анализируя результаты генетических исследований, проведенных на грибе нейроспоре, пришли к выводу, что каждый ген контролирует синтез какого-либо фермента, и сформулировали принцип «один ген — один фермент».

Однако уже в 1961 году Ф. Жакобу, Ж. Л. Моно и А. Львову удалось расшифровать структуру гена кишечной палочки и исследовать регуляцию его активности. За это открытие им в 1965 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

В процессе исследования, кроме структурных генов, контролирующих развитие определенных признаков, им удалось выявить и регуляторные, основной функцией которых является проявление признаков, кодируемых другими генами.

Структура прокариотического гена. Структурный ген прокариот имеет сложное строение, поскольку в его состав входят регуляторные участки и кодирующие последовательности. К регуляторным участкам относятся промотор, оператор и терминатор. Промотором называют участок гена, к которому прикрепляется фермент РНК-полимераза, обеспечивающий синтез иРНК в процессе транскрипции. С оператором , располагающимся между промотором и структурной последовательностью, может связываться белок-репрессор , не позволяющий РНК-полимеразе начать считывание наследственной информации с кодирующей последовательности, и только его удаление позволяет начать транскрипцию. Структура репрессора закодирована обычно в регуляторном гене, находящемся в другом участке хромосомы. Считывание информации заканчивается на участке гена, который называется терминатором .

Кодирующая последовательность структурного гена содержит информацию о последовательности аминокислот в соответствующем белке. Кодирующую последовательность у прокариот называют цистроном , а совокупность кодирующих и регуляторных участков гена прокариот — опероном . В целом прокариоты, к которым относится и кишечная палочка, имеют сравнительно небольшое количество генов, расположенных в единственной кольцевой хромосоме.

Цитоплазма прокариот может содержать также дополнительные небольшие кольцевые или незамкнутые молекулы ДНК, которые называются плазмидами. Плазмиды способны встраиваться в хромосомы и передаваться от одной клетки к другой. Они могут нести информацию о половых признаках, патогенности и устойчивости к антибиотикам.

Структура эукариотического гена. В отличие от прокариот, гены эукариот не имеют оперонной структуры, поскольку не содержат оператора, и каждый структурный ген сопровождается только промотором и терминатором. Кроме того, в генах эукариот значащие участки (экзоны ) чередуются с незначащими (интронами ), которые полностью переписываются на иРНК, а затем вырезаются в процессе их созревания. Биологическая роль интронов состоит в снижении вероятности мутаций в значащих участках. Регуляция генов эукариот намного сложнее, нежели описанная для прокариот.

Геном человека. В каждой клетке человека в 46 хромосомах находится около 2 м ДНК, плотно упакованной в двойную спираль, которая состоит примерно из 3,2 $×$ 10 9 нуклеотидных пар, что обеспечивает около 10 1900000000 возможных уникальных комбинаций. К концу 80-х годов ХХ века было известно расположение примерно 1500 генов человека, однако их общее количество оценивали примерно в 100 тыс., поскольку только наследственных болезней у человека имеется примерно 10 тыс., не говоря уже о количестве разнообразных белков, содержащихся в клетках.

В 1988 году стартовал международный проект «Геном человека», который к началу XXI века закончился полной расшифровкой последовательности нуклеотидов. Он дал возможность понять, что два разных человека на 99,9 % имеют сходные последовательности нуклеотидов, и лишь остающиеся 0,1 % определяют нашу индивидуальность. Всего было обнаружено примерно 30-40 тыс. структурных генов, однако затем их количество было снижено до 25-30 тыс. Среди этих генов имеются не только уникальные, но и повторяющиеся сотни и тысячи раз. Тем не менее данные гены кодируют гораздо большее количество белков, например десятки тысяч защитных белков — иммуноглобулинов.

97 % нашего генома является генетическим «мусором», который существует только потому, что умеет хорошо воспроизводиться (РНК, которые транскрибируются на этих участках, никогда не покидают ядро). Например, среди наших генов есть не только «человеческие» гены, но и 60 % генов, похожих на гены мушки дрозофилы, а с шимпанзе нас роднит до 99 % генов.

Параллельно с расшифровкой генома происходило и картирование хромосом, вследствие этого удалось не только обнаружить, но и определить расположение некоторых генов, отвечающих за развитие наследственных заболеваний, а также генов-мишеней лекарственных препаратов.

Расшифровка генома человека пока не дает прямого эффекта, поскольку мы получили своеобразную инструкцию по сборке такого сложного организма, как человек, но не научились изготавливать его или хотя бы исправлять погрешности в нем. Тем не менее эра молекулярной медицины уже на пороге, во всем мире идет разработка так называемых генопрепаратов, которые смогут блокировать, удалять или даже замещать патологические гены у живых людей, а не только в оплодотворенной яйцеклетке.

Не следует забывать и о том, что в эукариотических клетках ДНК содержится не только в ядре, но также в митохондриях и пластидах. В отличие от ядерного генома, организация генов митохондрий и пластид имеет много общего с организацией генома прокариот. Несмотря на то что эти органеллы несут менее 1 % наследственной информации клетки и не кодируют даже полного набора белков, необходимых для их собственного функционирования, они способны существенно влиять на некоторые признаки организма. Так, пестролистность у растений хлорофитума, плюща и других наследует незначительное число потомков даже при скрещивании двух пестролистных растений. Это обусловлено тем, что пластиды и митохондрии передаются большей частью с цитоплазмой яйцеклетки, поэтому такая наследственность называется материнской, или цитоплазматической, в отличие от генотипической, которая локализуется в ядре.

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДНК.

Генетическая догма: информация записана в ДНК и передаётся на дочерние молекулы ДНК

из поколения в поколение с помощью процесса репликации.
ДНК ® РНК ® белок

РЕПЛИКАЦИЯ - процесс самоудвоения ДНК. Этот процесс стал полностью изучен только после того, как УОТСОН и КРИК предложили структуру ДНК в виде двойной спирали, полинуклеотидные цепи которой связаны комплиментарными, азотистыми основаниями (А:::Т, Г:::Ц). Если азотистые основания комплиментарны друг другу, то и полинуклеотидные цепи тоже комплиментарны. В основе механизма репликации лежит принцип комплиментарности. К механизму репликации относится матричный биосинтез. Репликация ДНК идёт полуконсервативным способом: на каждой материнской полинуклеотидной цепи синтезируется дочерняя цепь.

Условия необходимые для репликации:

Матрица - нити ДНК. Расщепление нити называется РЕПЛИКАТИВНАЯ ВИЛКА. Она

Может образовываться внутри молекулы ДНК. Они движутся в разных направлениях,

Образуя РЕПЛИКАТИВНЫЙ ГЛАЗОК. Таких глазков в молекуле ДНК ЭУКАРИОТ

Несколько, каждый имеет две вилки

2. Субстрат. Пластическим материалом являются ДЕЗОКСИНУКЛЕОТИДТРИФОСФАТЫ:
дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Затем происходит их распад до ДЕЗОКСИНУКЛЕОТИДМОНОФОСФАТОВ, двух молекул фосфата неорганического с выделением энергии, т.е. они одновременно являются источником и энергии, и пластического материала.

Д-АТФ® Д-АМФ + ФФ + Е.

Ионы магния.

Репликативный комплекс ферментов:

A) ДНК -раскручивающие белки:

DNA-A (вызывает расхождение нитей)

ХЕЛИКАЗЫ (расщепляют цепь ДНК)

ТОПОИЗОМЕРАЗЫ 1 и 2 (раскручивают сверх спирали). Разрывают (3",5") -

Фосфодиэфирные связи. ТОПОИЗОМЕРАЗА 2 у ПРОКАРИОТ называется ГИРАЗА.

B) Белки, препятствующие соединению нитей ДНК (SSB -белки)

C) ДНК-ПОЛИМЕРАЗА (катализирует образование фосфодиэфирных связей). ДНК-
ПОЛИМЕРАЗА только удлиняет уже существующую нить, но не может соединить два свободных НУКЛЕОТИДА.

D) ПРАЙМАЗА (катализирует образование «затравки» к синтезу). Это по своей структуре РНК-ПОЛИМЕРАЗА, которая соединяет одиночные НУКЛЕОТИДЫ.

Е)ДНК-ЛИГАЗА.

ПРАЙМЕРЫ - «затравка» для репликации. Это короткий фрагмент, состоящий из РИБОНУКЛЕОТИДТРИФОСФАТОВ (2 - 10). Образование ПРАИМЕРОВ катализируется ПРАЙМАЗОЙ.

Основные этапы репликации.

ИНИЦИАЦИЯ репликации.

Происходит под влиянием внешних стимулов (факторов роста). Белки соединяются с рецепторами на плазматической мембране и вызывают репликацию в синтетическую фазу клеточного цикла. Смысл инициации заключается в присоединении в точку репликации DNA-A, стимулирующего расхождение двойной спирали. В этом принимает участие и ХЕЛИКАЗА. Действуют ферменты (ТОПОИЗОМЕРАЗЫ), вызывающие раскручивание сверх спирали. SSB-белки препятствуют соединению дочерних цепей.