Современное представление о гене. Современные представления о структурно-функциональной организации генов
Функции генетики
Представители любого биологического вида воспроизводят подобные себе существа. Это свойство потомков быть похожими на своих предков называется наследственностью. Несмотря на огромное влияние наследственности в формировании фенотипа живого организма, родственные особи в большей или меньшей степени отличаются от своих родителей. Это свойство потомков называется изменчивостью. Именно явления наследственности и изменчивости и определяют предмет изучения генетики.
Генетика как наука решает следующие основные задачи:
Ш изучает способы хранения генетической информации у разных организмов (вирусов, бактерий, растений, животных и человека) и ее материальные носители;
Ш анализирует способы передачи наследственной информации от одного поколения организмов к другому;
Ш выявляет механизмы и закономерности реализации генетической информации в процессе индивидуального развития и влияние на их условий среды обитания;
Ш изучает закономерности и механизмы изменчивости и ее роль в приспособительных реакциях и в эволюционном процессе;
Ш изыскивает способы исправления поврежденной генетической информации.
Современные представления о гене
Подобно тому, что в физике элементарными единицами вещества являются атомы, в генетике элементарными дискретными единицами наследственности и изменчивости являются гены.
Весна 1953 г. исследователи американец Д. Уотсон и англичанин Ф. Крик расшифровали "святая святых" наследственности - ее генетической код. Именно с той поры слово "ДНК" - дезоксирибонуклеиновая кислота - стало известно не только узкому кругу ученых, но и каждому образованному человеку во всем мире. В начале 2001 г. было торжественно возвещено о принципиальной расшифровке у человека всего генома - ДНК, входящей в состав всех 23 пар хромосом клеточного ядра. Эти биотехнологические достижения сравнивают с выходом в космос.
Согласно современным представлениям, ген, кодирующий синтез определенного белка, у эукариот состоит из нескольких обязательных элементов. Прежде всего, это обширная регуляторная зона, оказывающая сильное влияние на активность гена в той или иной ткани организма на определенной стадии его индивидуального развития. Далее расположен непосредственно примыкающий к кодирующим элементам гена промотор - последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, ответственная за связывание РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена. Вслед за промотором лежит структурная часть гена, заключающая в себе информацию о первичной структуре соответствующего белка. Эта область для большинства генов эукариот существенно короче регуляторной зоны, однако ее длина может измеряться тысячами пар нуклеотидов.
Важная особенность эукариотических генов - их прерывистость. Это значит, что область гена, кодирующая белок, состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов. Одни - экзоны - участки ДНК, которые несут информацию о строении белка и входят в состав соответствующих РНК и белка. Другие - интроны - не кодируют структуру белка и в состав зрелой молекулы и-РНК не входят.
Нуклеиновые кислоты, как и белки, необходимы для жизни. Они представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов. Нуклеиновые кислоты состоят из мономерных единиц, называемых нуклеотидами. Из нуклеотидов строятся длинные молекулы - полинуклеотиды. Молекула нуклеотида состоит из трех частей: пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты. Сахар, входящий в состав нуклеотидов, представляет собой пентозу.
Различают два типа нуклеиновых кислот - рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся основания четырех разных видов: два из них относятся к классу пуринов, другие - к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает молекулам основные свойства. Пурины - это аденин (А) и гуанин (Г), а пиримидины - цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У). В молекулах пуринов имеется два кольца, а в молекулах пиримидинов - одно. В РНК вместо тимина содержится урацил.
Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, впервые была выделена из клеточных ядер. Поэтому ее и назвали нуклеиновой (греч. nucleus - ядро). ДНК состоит из цепочки нуклеотидов с четырьмя различными основаниями: аденином (А), гуанином (G), цитозином (С) и тимином (Т). ДНК почти всегда существует в виде двойной спирали, то есть она представляет собой две нуклеотидные цепи, составляющие пару. Вместе их удерживает так называемая комплементарность пар оснований. "Комплементарность" означает, что когда А и Т в двух цепях ДНК расположены друг против друга, между ними спонтанно образуется связь. Аналогично комплиментарную пару образуют G и С.
В клетках человека содержится 46 хромосом. Длина генома человека (все ДНК в хромосомах) может достигать двух метров и состоит из трех миллиардов нуклеотидных пар. Ген - это единица наследственности. Он представляет собой часть молекулы ДНК и содержит закодированную информацию об аминокислотной последовательности одного белка или рибонуклеиновой кислоты (РНК).
Результатом экспрессии генов, кодирующих белки или нуклеиновые кислоты, должно быть образование полноценных в функциональном отношении макромолекул, сопровождаемое формированием определенного фенотипа организма. В соответствии с основным постулатом молекулярной биологии генетическая информация передается однонаправленно от нуклеиновых кислот к белкам по схеме: ДНК <-> РНК -> белок, т.е. в ряде случаев возможна передача генетической информации от РНК к ДНК с использованием механизма обратной транскрипции. Передача генетической информации от белков к нуклеиновым кислотам не обнаружена.
На первом этапе экспрессии генов происходит переписывание генетической информации на матричные (информационные) РНК (мРНК), которые являются местом промежуточного хранения информации. В некоторых случаях сами РНК являются конечным результатом экспрессии генов, и после ряда ферментативных модификаций они непосредственно используются в клеточных процессах. Это относится, прежде всего, к рибосомным и транспортным РНК (рРНК и тРНК). К таким РНК принадлежат и малые ядерные РНК (мяРНК), участвующие в процессинге предшественников мРНК эукариот, РНК, входящие в состав ферментов, и природные антисмысловые РНК.
Синтез РНК происходит в результате сложной последовательности биохимических реакций, называемой транскрипцией. На втором этапе реализации генетической информации, называемом трансляцией, последовательность нуклеотидов мРНК определяет последовательность аминокислотных остатков синтезируемых белков.
Таким образом, экспрессию генов определяют два глобальных молекулярно-генетических механизма: транскрипция генов и трансляция синтезированных мРНК рибосомами, которая завершается образованием полипептидных цепей, кодируемых генами. Однако процесс экспрессии генов не ограничивается их транскрипцией и трансляцией.
Существенными моментами экспрессии генов являются посттранскрипционные и посттрансляционные модификации мРНК и белков, которые включают процессинг их предшественников (удаление избыточных последовательностей и другие ковалентные модификации последовательностей РНК и белков).
Исходя из данных генетического анализа о линейном расположении генов в хромосоме, с одной стороны, и непрерывности молекулы ДНК в той же хромосоме - с другой, следует,
что ген - это структурная и функциональная единица, составляющая определенную часть хромосомы и ее ДНК. До недавнего времени ген рассматривался как минимальная, элементарная единица мутации и рекомбинации. В настоящее время установлено, что ген имеет сложное строение, что возможны как внутригенные мутации, так и внутригенные рекомбинации.
Еще больше представление о сложной структурной и функциональной организации гена упрочилось под влиянием следующих обстоятельств. Известно, что ДНК фага фХ174 кодирует 9 разных специфических для этого фага белков. Суммарная молекулярная масса этих 9 белков составляет примерно 250 тыс. дальтон. Вместе с тем количество генетической информации, содержащейся в хромосоме этого фага может обеспечивать кодирование белков с суммарной молекулярной массой, не превышающей 200 тыс. дальтон. Выяснение причины обнаруженного несоответствия показало, что одни и те же нуклеотидные последовательности участвуют в кодировании разных белков (рис. 73). В частности, ген D кодирует белки d , i , е, ген Е - белок е и ген I - белки d n i .
Другие факты, указывающие на сложную организацию генов, получены при изучении процессов синтеза информационных РНК. Эти исследования показали, что продукты транскрипции, образующиеся на ДНК хромосом, намного крупнее, чем поступающие в рибосомы матричные РНК. Такие предшественники информационных РНК получи-ли название гетерогенных ядерных РНК, или про-мРНК. Как выяснилось, они претерпевают серьезные посттранскрипционные изменения, названные процессингом, приводящие к образованию собственно мРНК. В этом существенное различие образования информационных РНК у эукариотов и прокариотов, у которых мРНК считывается сразу. Причины таких различий скрыты в особенностях организации оперонов про- и эукариотов. Если у первых количество так называемых не транскрибируемых последовательностей очень невелико и, как правило, не превышает размера самого структурного гена, то у вторых количество таких последовательностей в несколько, а то и в десятки раз больше самого гена. Природа таких нетранскрибируемых последовательностей различна. С одной стороны, это большая акцепторная часть, предшествующая структурному гену. В частности, акцепторный участок про-мРНК глобина мыши в семь раз дольше образуемой из нее мРНК. В результате процессинга после двухэтапного отделения акцепторного участка и последующего присоединения к 3 -концу отрезка полиА образуется мРНК.
Другой важной причиной избыточного содержания ДНК в пределах гена может быть наличие ничего не кодирующих участков ДНК, находящихся внутри самих генов и названных интронами. Такие участки ДНК, как правило, ограничены одинаковыми последовательностями независимо от вида организма. Например, интроны для 43 генов животных, вирусов и гена фазеолина (основного запасного белка фасоли) начинаются с динуклеотида ГТ и оканчиваются динуклеотидом
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 упрокариот 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 отпрокариот, 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.
Задачи с решениями
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны.
Обмен веществ - одно из основных свойств живых систем, он характеризуется тем, что происходит
- избирательное реагирование на внешние воздействия окружающей среды
- изменение интенсивности физиологических процессов и функций с различными периодами колебаний
- передача из поколения в поколение признаков и свойств
- поглощение необходимых веществ и выделение продуктов жизнедеятельности
- поддержание относительно постоянного физико-химического состава внутренней среды
Решение
Обмен веществ и энергии (метаболизм)– это основная функция организма. Под обменом веществ и энергии понимают совокупность процессов поступления питательных и биологически активных веществ в пищеварительный аппарат, превращения или освобождения их и всасывание продуктов превращения и освобождения веществ в кровь и лимфу, распределение, превращение и использование всосавшихся веществ в тканях органов, выделение конечных продуктов превращения и использования, вредных для организма. Обмен веществ представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – совокупность процессов, обеспечивающих образование в организме свойственных ему веществ из веществ, поступивших в организм из внешней среды. Диссимиляция – совокупность процессов ферментативного расщепления сложных веществ. Оба процесса взаимосвязаны и возможны только при наличии другого. Интенсивность одного процесса зависит от интенсивности другого. Обмены различных веществ в организме тесно взаимосвязаны и поддерживают постоянство физико-химического состава внутренней среды.
Ответ: 45
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Процессы деления клеток изучают с помощью методов
- дифференциального центрифугирования
- культуры клеток
- микроскопии
- микрохирургии
- фото- и киносъёмки
Решение
Процессы деления клеток можно наблюдать под микроскопом, данный метод носит название микроскопия. Современные микроскопы оснащены фото и кинокамерой, поэтому процесс деления можно еще фотографировать и записывать.
Ген , или наследственный фактор , - это участок молекулы ДНК (у многих вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК .
Общее число генов в клетке высших организмов по разным оценкам составляет 50-200 тыс. Каждому структурному гену соответствует определенный белок. Гены, кодирующие синтез белка у эукариот, состоят из нескольких элементов.
Прежде всего это регуляторная зона (область), которая оказывает влияние на активность гена в разные периоды жизни организма. Регуляторная зона включает промотор
- нуклеотидная последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, которую узнает молекула фермента РНК-полиме-разы и соединяется с ней, чтобы начать транскрипцию данного гена. При этом промотор определяет, какая из цепей двойной спирали ДНК присоединит к себе РНК-полимеразу и тем самым будет служить матрицей для синтеза иРНК.
У прокариот за промотором расположен оператор - участок ДНК, «узнаваемый» специфическими белками-репрессорами и регулирующий транскрипций отдельных генов. Оператор и управляемые им структурные гены в совокупности образуют функциональную единицу, называемую опероном .
Кроме того, в хромосомах были найдены участки - усилители транскрипции , расположенные на большом расстоянии от кодирующей нуклеотидной последовательности гена и его промотора. Для нормальной работы гена очень важны также участки, расположенные в конце кодирующей последовательности и служащие сигналом остановки транскрипции. Их называют терминаторами .
Важная особенность генов эукариотических организмов - их прерывистость. В отличие от иРНК прокариот, включающей всю нуклеотидную последовательность структурного гена, иРНК эукариот содержит кодирующие участки - экзоны - чередующиеся с некодирующими - интронами . По размерам интроны варьируют от нескольких единиц до нескольких тысяч нуклеотидных пар; при этом их длина может быть больше длины экзонов, а число интронов в составе гена может достигать двух-трех десятков.
По завершении транскрипции из молекулы иРНК, содержащей как экзоны, так и интроны, последние вырезаются фементами в ходе процессинга . Далее кодирующие участки экзоны сливаются в единую молекулу. Этот процесс получил название сплайсинг РНК. Экзоны соединяются в молекулу транслируемой иРНК в том же порядке, в котором они располагаются в ДНК. Преобразованная таким образом иРНК называется зрелой иРНК.
Структура гена вирусов отражает генетическую организацию клетки хозяина. Так, гены бактериофагов собраны в рпероны и не имеют интронов, а вирусы эукариот их имеют.
Современные представления о структуре гена у эукариот (И. Ф. Жимулев, 2000, БИОЛОГИЯ) Ген можно определить как единицу наследственной информации, занимающую определенное положение в геноме или хромосоме и контролирующую выполнение определенной функции в организме. По результатам исследований прокариот, главным образом бактерии Escherichia coli, ген состоит из двух основных элементов: регуляторной части, с которой связывается фермент РНК-полимераза, и собственно кодирующей части гена, в которой с помощью кодонов записана информация о структуре кодируемого данным геном полипептида. Регуляторная часть не транскрибируется, со структурной части считывается матричная РНК (мРНК). После достижения молекулой РНК-полимеразы участка терминации транскрипции фермент покидает матрицу ДНК и транскрипция заканчивается. Промоторы содержат две группы последовательностей с относительно строго фиксированным порядком расположения нуклеотидов, расположенных на определенных расстояниях как от точки инициации транскрипции, так и друг от друга. Хотя следует подчеркнуть, что однозначность расположения нуклеотидов (консенсус) никогда не достигает 100%.
У эукариот гены, так же как и геномы (совокупность генов в гаплоидном наборе ДНК), устроены сложнее. Прежде всего в составе геномов значительно больше ДНК, молекула мРНК содержит информацию не только о кодировании белка, но и другую информацию. Структура регуляторной и кодирующих зон выглядит значительно более сложной.
Откуда получают информацию об организации генов у эукариот? Основным источником остается метод генетического анализа с привлечением молекулярно-биологических методик. Кроме этого, к настоящему времени разрабатывается около 30 так называемых геномных проектов, например "Геном человека", "Геном дрозофилы", "Геном дрожжей" и т.д. Это, как правило, хорошо финансируемые работы, имеющие целью полную расшифровку ДНК, составляющей геном того или иного вида. Например, в проекте "Геном Anopheles gambiae" на первом этапе запланировано получить полный набор клонов, то есть коротких отрезков ДНК, в том порядке, в котором они располагаются в хромосомах. На втором этапе должна быть определена последовательность нуклеотидов в каждом клоне и как результат - во всем геноме. Стратегия других проектов и детали их реализации описаны в статье В.Н. Сойфера.
Такие работы наряду с гигантским толчком к развитию методик биотехнологии позволяют многое узнать об организации как геномов в целом, так и отдельных генов. В частности, можно узнать, как много нуклеотидов содержит тот или иной геном, определить соотношение кодирующей и некодирующей частей гена или соотношение интронов и экзонов в пределах кодирующей части.
Как следует из данных табл. 1, число генов варьирует в широких пределах - от 9 у мелкого бактериофага }
