Основная единица генетической информации - ген, представляющий собой отрезок ДНК, который кодирует РНК или полипептидную цепь. Белки, состоящие из одной или нескольких полипептидных цепей, могут играть структурную или регуляторную роль, служить рецепторами для других молекул, выполнять транспортную функцию, катализировать определенную метаболическую реакцию (если белок-фермент) или как-то иначе участвовать в жизнедеятельности клетки или организма.

Общая черта строения про- и эукариотических генов - наличие кодирующей области и, расположенных по ее флангам, регуляторных последовательностей. Кодирующие области большинства эукариотических генов имеют экзон-интронную структуру. Исключение составляют, например, гены гистонов и интерферонов, которые не имеют интронов. Экзоны - кодирующие последовательности - чередуются с некодируюшими последовательностями - интронами. Размеры и число экзонов и интронов индивидуальны для каждой мРНК.

Как правило, нитроны по размерам значительно превышают экзоны . Ранее считалось, что интроны - варианты некодирующей, «эгоисгичной» ДНК. Однако открытие альтернативного сплайсинга, в процессе которого с одного гена транскрибируется несколько вариантов мРН К, за счет различных комбинаций экзонов и интронов, изменило наше представление о функции интронов. Оказалось, что в некоторых случаях интроны могут функционировать как экзоны, а экзоны - как интроны. Установлено, что в интронах могут находиться промоторы - участки, с которых начинается транскрипция. Неожиданно выяснилось, что в одном из интронов гена фактора VIII расположен другой (гены в генах). Таким образом, по мере изучения функций «некодирующей» ДНК «ее эгоистичность» часто оказывается мнимой.

Экзоны или их сочетания могут кодировать аминокислотные последовательности, являющиеся структурными и функциональными доменами белка. Каждый эукариотический ген имеет с обеих сторон от кодирующей области основные регуляторные последовательности, выполняющие функции инициации и терминации транскрипции. Однако регуляторные участки, повышающие и понижающие уровень транскрипции (экхансеры и сайленсеры), могут быть расположены как внутри гена, так и на значительном расстоянии от него.

Некоторые эукариотические гены организованы в кластеры, но у них отсутствуют общие регуляторные участки, как в оперонах прокариот. К ним относятся, например, гены а- и р-цепей гемоглобина НЬА. Однако во многих случаях родственные гены расположены в разных хромосомах, например, ген лактатдегидрогеназы LDHA -на хромосоме II, а ген LDH В- на хромосоме 12.

Наряду с функциональными генами у эукариот есть псевдогены, которые, как правило, не транскрибируются из-за мутаций в регуляторных областях или вследствие изменений в их кодирующей области. При этом белок, если и образуется, является дефектным, не функциональным. Один из вариантов псевдогенов - так называемые процессированные псевдогены, в которых отсутствуют интроны. Последнее обстоятельство еще раз подчеркивает значение интронов для образования пре-мРНК и синтеза нормально функционирующего белка.

Наличие нескольких промоторов в одном гене обусловливает альтернативную транскрипцию, т.е. образование различных изоформ мРНК. Так в гене миодистрофии Дюшенна имеется 8 промоторов, с которых происходит альтернативная транскрипция в разных тканях (сердечных и скелетных мышцах, эмбриональных нейронах, коре мозга, сетчатке глаз), что приводит к образованию в этих тканях различных изоформ дистрофина.

Помимо альтернативной транскрипции существует и альтернативный сплайсинг. Так ген кальцитонина млекопитающих кодирует две изоформы мРНК; одна отвечает за кальцитонин щитовидной железы и состоит из первых четырех экзонов из 6. Во второй мРНК, кодирующей белок, родственный CGRP мозга, отсутствует экзон 4. Альтернативный сплайсинг с пре-мРНК гена а-тропомиозина, в результате которого в зрелой мРНК отсутствуют экзоны с 5" и 3"-концов и середины гена, представлен на рисунке. Эти различные формы мРНК были обнаружены в мышцах, мозге и фибробластах.

Г Е Н Е Т И К А

Генетика – наука, которая изучает закономерности наследственности и изменчивости.

Наследственность – свойство всех живых организмов передавать особенности своего строения и развития потомкам.

Изменчивость –свойство всех живых организмов изменять наследственную информацию, полученную от родителей, а также процесс ее реализации в ходе индивидуального развития (онтогенеза). Изменчивость – это свойство, противоположное наследственности.

Эти два понятия тесно связаны друг с другом.

Термин «генетика» впервые был предложен в 1906 году английским ученым У. Бэтсоном, однако история развития этой науки своими корнями уходит в далекое прошлое.

Всю историю развития генетики можно условно разделить на четыре этапа:

Существование умозрительных гипотез о природе наследственности.

Открытие основных законов наследственности.

Изучение наследственности на клеточном уровне.

Изучение наследственности на молекулярном уровне.

Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала

В наследственной структуре клетки и организма в целом выделяют три уровня организации генетического материала: генный, хромосомный и геномный.

Генный уровень

Наименьшей (элементарной) единицей наследственного материала является ген.

Ген – это часть молекулы ДНК, имеющая определенную последовательность нуклеотидов и представляющая собой единицу функционирования наследственного материала.

Ген несет информацию о конкретном признаке или свойстве организма.

У человека имеется около 30 тысяч генов.

Изменение в структуре гена ведет к изменению соответствующего признака. Следовательно, на генном уровне обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальная изменчивость признаков.

Хромосомный уровень

Все гены в клетке объединены в группы и располагаются в хромосомах в линейном порядке. Каждая хромосома уникальна по набору входящих в нее генов. В состав хромосом входят ДНК, белки (гистоновые и негистоновые), РНК, полисахариды, липиды и ионы металлов.

Хромосомный уровень в эукариотических клетках обеспечивает характер функционирования отдельных генов, тип их наследования и регуляцию их активности. Он позволяет закономерно воспроизводить и передавать наследственную информацию в процессе деления клетки.

Геномный уровень

Геном – совокупность всех генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом. При оплодотворении два генома родительских гамет сливаются и образуют генотип.

Генотип – совокупность всех генов, заключенных в диплоидном наборе хромосом, или кариотипе. Кариотип – полный набор хромосом, характеризующийся у каждого вида их строго определенным числом и строением.

Геномный уровень отличается высокой стабильностью. Он обеспечивает сложную систему взаимодействия генов. Результатом взаимодействия генов друг с другом и с факторами внешней среды является фенотип.

Молекулярные основы наследственности

Ген как элементарная единица наследственной информации выполняет определенные функции и обладает определенными свойствами.

Функции генов:

хранение наследственной информации;

управление биосинтезом белка и других веществ в клетке;

контроль за развитием и старением клетки.

Свойства генов:

дискретность: один ген контролирует один признак;

специфичность: каждый ген отвечает строго за свой признак;

стабильность структуры: гены передаются из поколения в поколение не изменяясь;

дозированность действия: один ген определяет одну дозу фенотипического проявления признака;

способность к мутированию (изменению структуры);

способность к репликации (самоудвоению);

способность к рекомбинации (переходу из одной гомологичной хромосомы в другую).

Функциональная классификация генов

Все гены делятся на три группы:

cтруктурные – контролируют развитие признаков путем синтеза соответствующих ферментов;

регуляторные – управляют деятельностью структурных генов;

модуляторные – смещают процесс проявления признаков в сторону его усиления или ослабления, вплоть до полной блокировки.

Особенности строения генов

у прокариотических и эукариотических клеток

Клетки в природе делятся на прокариотические и эукариотические. У прокариот ген имеет непрерывную структуру, т.е. представляет собой часть молекулы ДНК.

У эукариот ген состоит из чередующихся участков: экзонов и интронов . Экзон – информативный участок, интрон – неинформативный. Число интронов у разных генов неодинаково (от 1 до 50).

Экспрессия (проявление действия) гена в процессе синтеза белка

Весь процесс синтеза белка условно делится на три этапа: транскрипция,

процессинг и трансляция.

Транскрипция

Транскрипция – процесс переписывания информации с молекулы ДНК на и-РНК. Протекает в ядре.

Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Каждая нить представлена последовательностью нуклеотидов, а каждый нуклеотид состоит из углевода (пентозы), азотистого основания и остатка фосфорной кислоты.

Каждая нить молекулы ДНК имеет два конца – гидроксильный (3) и фосфатный (5). Нити расположены по отношению друг к другу антипараллельно.

Синтез и-РНК в клетке всегда идет от фосфатного конца к гидроксильному. Поэтому матрицей для транскрипции служит одна нить ДНК, обращенная к синтезирующему ферменту своим гидроксильным концом; она называется кодогенной, илиинформативной (а другая нить, соответственно, некодогенной, или неинформативной).

Транскрипция делится на три периода:

инициация,

элонгация,

терминация.

Генетика коллоквиум

1.Наследственность и изменчивость – фундаментальные свойства живо-го. Ядерная (хромосомная) и цитоплазматическая наследственность. Уровни организации генетического материала: генный, хромосомный, геномный.

Непрерывность существования и историческое развитие живой природы обусловлены двумя фундаментальными свойствами жизни: наследственностью и изменчивостью.

Наследственность - свойство организмов передавать следующему поколению свои признаки и особенности их развития,т.е. воспроизводить себе подобных. . На популяционно-видовом уровне организации жизни наследственность проявляется в поддержании постоянного соотношения различных генетических форм в ряду поколений организмов данной популяции (вида). На биоценотическом уровне продолжительное существование биоценоза обеспечивается сохранением определенных соотношений видов организмов, образующих этот биоценоз.

Ядерная(хромосомная)теория наследственности - теория, согласно которой хромосомы, заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности, то есть преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом. Хромосомная теория наследственности возникла в начале 20 в. на основе клеточной теории и использовалась для изучения наследственных свойств организмов гибридологического анализа.

Наследственность цитоплазматическая (внеядерная, нехромосомная, плазматическая)- преемственность материальных структур и функциональных свойств организма, которые определяются и передаются факторами, расположенными в цитоплазме

Изменчивость -способность организмов изменять свои признаки и свойства,что проявляется в разнообразии особей внутри вида. Изменчивость бывает наследственная(неопределенная,индивидуальная, мутационная)и ненаследственная(определенная,групповая,модификационная).Наследственная изменчивость связана с изменением генотипа,ненаследственная-с изменением фенотипа под влиянием условий окр.среды.

2. Генный уровень организации наследственного материала. Свойства гена как функциональной единицы наследственности и изменчивости: специфичность, дискретность, стабильность, плейотропность, дозированность действия, аллельность, способность к мутациям.

В процессе изучения свойств генетического кода была обнаружена его специфичность. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Интересным фактом является полное соответствие кода у различных видов живых организмов.

Нескорректированные изменения химической структуры генов, воспроизводимые в последовательных циклах репликации и проявляющиеся у потомства в виде новых вариантов признаков, называют генными мутациями.

Определяя возможность развития отдельного качества, присущего данной клетке или организму, ген характеризуется дискретностью действия.

же нуклеотидная последовательность может детерминировать синтез не одного, а нескольких полипептидов. Это наблюдается в случае альтернативного сплайсинга у эукариот и при перекрывают генов у фагов и прокариот. Очевидно, такую способность следует оценить как множественное, или плейотропное, действие гена (хотя традиционно под плейотропным действием гена принято понимать участие его продукта - полипептида - в разных биохимических процессах, имеющих отношение к формированию различных сложных признаков). ген характеризуется дозированностью действия, т.е. количественной зависимостью результата его экспрессии от дозы соответствующего аллеля этого гена.

3. Хромосомный уровень организации наследственного материала. Хромосома, её химический состав и структурная организация. Морфология хромосом, морфологические виды хромосом.

Согласно хромосомной теории наследственности, совокупность генов, входящих в состав одной хромосомы, образует группу сцепления. Каждая хромосома уникальна по набору заключенных в ней генов. Число групп сцепления в наследственном материале организмов данного вида определяется, таким образом, количеством хромосом в гаплоидном наборе их половых клеток. При оплодотворении образуется диплоидный набор, в котором каждая группа сцепления представлена двумя вариантами - отцовской и материнской хромосомами, несущими оригинальные наборы аллелей соответствующего комплекса генов. Хсостоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс-хроматин.

Наиболее распространенной является точка зрения, согласно которой хроматин (хромосома) представляет собой спирализованную нить. При этом выделяется несколько уровней спирализации (компак-тизации) хроматина: ДНК, нуклеосом. нить, элементарная хроматиновая фибрилла, интерфазная хромонема, метафазная хромотида.

В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры или кинетохора). Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками. Формы хромосом:I - телоцентрическая, II - акроцентрическая, III-субметацентрическая, IV-метацентрическая;

4. Геномный уровень организации наследственного материала. Геном и кариотип как видовые характеристики.

Геномный уровень организации Геномом называют всю совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов. Геном видоспецифичен, так как представляет собой тот необходимый набор генов, который обеспечивает формирование видовых характеристик организмов в ходе их нормального онтогенеза. Кариотип - диплоидный набор хромосом, свойственный соматическим клеткам организмов данного вида, являющийся видоспецифическим признаком и характеризующийся определенным числом, строением и генетическим составом хромосом

5. Генотип – сбалансированная система взаимодействующих генов. Аллельные и неаллельные гены. Виды взаимодействия генов.

Взаимодействие аллельных генов . Постоянно возникающие разнообразные изменения структуры генов обусловливают явление множественного аллелизма (см. разд. 3.4.2.4), поэтому взаимодействующие при оплодотворении гаметы часто несут в своих геномах разные аллели одного и того же гена. В связи с этим генотип нового организма является гетерозиготным по многим локусам, т.е. его аллельные гены, расположенные в соответствующих участках гомологичных хромосом и пришедшие от обоих родителей, представлены разными аллелями - А и А", В и В" С и С" и т.д. Если аллельные гены представлены одинаковыми аллелями, т.е. находятся в гомозиготном состоянии (АА или A"A", BB или B"B", CC или С"С"), то развивается соответствующий данному аллелю вариант признака. В случае гетерозиготности (АА", BB", CC") развитие данного признака (А, В или С) будет зависеть от взаимодействия аллельных генов.

Взаимодействие неаллельных генов . результатом действия не одной пары аллельных генов, а нескольких неаллельных генов или их продуктов. Поэтому эти признаки называют сложными. Большинство количественных признаков организмов определяется полигенами, т.е. системой неаллельных генов, одинаково влияющих на формирование данного признака. Взаимодействие таких генов в процессе формирования признака называют полимерным. Оно сводится чаще всего к суммированию действия сходных аллелей этих генов, определяющих формирование одинакового варианта признака. Совместное действие полигенов обусловливает различную экспрессивность - степень выраженности признака, зависящую от дозы соответствующих аллелей. По полимерному типу взаимодействия у человека определяется интенсивность окраски кожных покровов, зависящая от уровня отложения в клетках пигмента меланина

6. Взаимодействие аллельных генов в генотипе: доминирование, непол-ное доминирование, кодоминирование, межаллельная комплементация, аллельное исключение .

Доминирование - это такое взаимодействие аллельных генов, при котором проявление одного из аллелей (А) не зависит от присутствия в генотипе другого аллеля (А") и гетерозиготы АА" фенотипически не отличаются от гомозигот по этому аллелю (АА). Такая ситуация наблюдается, например, когда один из аллелей гена А («дикий») способен обеспечить формирование определенного варианта признака (синтез пептида с определенными свойствами), а другой А"-не обладает такой способностью. Наличие в генотипе АА" единственного нормального аллеля А приводит к формированию нормального признака. Этот аллель выступает как доминантный в данном гетерозиготном генотипе. Присутствие другого аллеля (А") фенотипически не проявляется, поэтому его называют рецессивным.

Неполное доминирование наблюдается, когда фенотип гетерозигот BB" отличается от фенотипа гомозигот по обоим аллелям (BB или B"B") промежуточным проявлением признака. Это объясняется тем, что аллель, способный сформировать нормальный признак, находясь в двойной дозе у гомозиготы BB, проявляется сильнее, чем в единственной дозе у гетерозиготы BB". Указанные генотипы отличаются экспрессивностью, т.е. степенью выраженности признака. Демонстрацией такого типа взаимодействия генов могут быть многочисленные наследственные заболевания у человека, проявляющиеся клинически у гетерозигот по мутантным аллелям, а у гомозигот заканчивающиеся смертью. Иногда гетерозиготы имеют почти нормальный фенотип, а гомозиготы характеризуются пониженной жизнеспособностью.

Кодоминирование представляет собой такой тип взаимодействия аллельных генов, при котором каждый из аллелей проявляет свое действие. В результате этого формируется некий промежуточный вариант признака, новый по сравнению с вариантами, определяемыми каждым аллелем самостоятельно. Примером может служить формирование IV, или АВ-группы, крови у человека, гетерозиготного по аллелям IA и IB, которые по отдельности детерминируют образование II и III групп крови.

Межаллельная комплементация . В этом случае возможно формирование нормального признака D у организма, гетерозиготного по двум мутантным аллелям гена D(D"D").

Аллельное исключение процесс формирования элементарного признака - синтез полипептида с определенной последовательностью аминокислот - зависит, как правило, от взаимодействия по меньшей мере двух аллельных генов, и конечный результат определяется конкретным сочетанием их в генотипе.

Формирование сложных признаков предполагает необходимость взаимодействия неаллельных генов, занимающих разное положение в геноме данного вида.

Г Е Н Е Т И К А

Генетика – наука, которая изучает закономерности наследственности и изменчивости.

Наследственность – свойство всех живых организмов передавать особенности своего строения и развития потомкам.

Изменчивость – свойство всех живых организмов изменять наследственную информацию, полученную от родителей, а также процесс ее реализации в ходе индивидуального развития (онтогенеза). Изменчивость – это свойство, противоположное наследственности.

Эти два понятия тесно связаны друг с другом.

Всю историю развития генетики можно условно разделить на четыре этапа:

1. Существование умозрительных гипотез о природе наследственности.

2. Открытие основных законов наследственности.

3. Изучение наследственности на клеточном уровне.

4. Изучение наследственности на молекулярном уровне.

Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала

В наследственной структуре клетки и организма в целом выделяют три уровня организации генетического материала: генный, хромосомный и геномный.

Генный уровень

Наименьшей (элементарной) единицей наследственного материала является ген.

Ген несет информацию о конкретном признаке или свойстве организма.

У человека имеется около 30 тысяч генов.

Хромосомный уровень

Геномный уровень

Геном – совокупность всех генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом. При оплодотворении два генома родительских гамет сливаются и образуют генотип.

Генотип – совокупность всех генов, заключенных в диплоидном наборе хромосом, или кариотипе. Кариотип – полный набор хромосом, характеризующийся у каждого вида их строго определенным числом и строением.

Генный уровень

Наименьшей (элементарной) единицей наследственного материала является ген.

Ген несет информацию о конкретном признаке или свойстве организма.

У человека имеется около 30 тысяч генов.

Хромосомный уровень

Геномный уровень

Молекулярные основы наследственности

Функции генов:

хранение наследственной информации;

управление биосинтезом белка и других веществ в клетке;

контроль за развитием и старением клетки.

Свойства генов:

дискретность: один ген контролирует один признак;

специфичность: каждый ген отвечает строго за свой признак;

стабильность структуры: гены передаются из поколения в поколение не изменяясь;

дозированность действия: один ген определяет одну дозу фенотипического проявления признака;

способность к мутированию (изменению структуры);

способность к репликации (самоудвоению);

способность к рекомбинации (переходу из одной гомологичной хромосомы в другую).

Функциональная классификация генов

Все гены делятся на три группы:

cтруктурные – контролируют развитие признаков путем синтеза соответствующих ферментов;

регуляторные – управляют деятельностью структурных генов;

Особенности строения генов

у прокариотических и эукариотических клеток

Экспрессия (проявление действия) гена в процессе синтеза белка

Весь процесс синтеза белка условно делится на три этапа: транскрипция,

процессинг и трансляция.

Транскрипция

Транскрипция – процесс переписывания информации с молекулы ДНК на и-РНК. Протекает в ядре.

Транскрипция делится на три периода:

инициация,

элонгация,

терминация.