Реализация генетической информации у про- и эукариот

План лекции.
Ген, определение. Строение генов про- и эукариот.
Генетический код и его

Термин ген был предложен датчанином Йогансеном в 1909 году. Природа гена была

Итак, свойства гена: (не путаем со свойствами генетического кода!)

Дискретность - имеет определенный

Н.К.Кольцов и идея матричного синтеза

Бывшее здание Института экспериментальной биологии Н.К. Кольцова

Путь идеи: Кольцов Тимофеев-Ресовский Дельбрюк Уотсон

Никола́й Влади́мирович Тимофе́ев-Ресо́вский
(1900 – 1981)

Но к концу 40-х годов XX века стало ясно, что гены

Центральная догма молекулярной биологии:

В генах закодированы не только белки

ДНК

Ген

иРНК

Белок

Функция

нкРНК

Функция

Что же такое ген сегодня? Определение.

Ген – участок молекулы ДНК, несущий

генетика

эпигенетика

транскриптомика

геномика

протеомика

А сама генетика за ХХ век разрослась и дала ветви

Рассмотрим этапы реализации наследственной информации на примере синтеза белка.

Живые организмы делятся на два больших надцарства:

Прокариоты (доядерные)

Эукариоты (ядерные)

растения

грибы

животные

Размеры геномов разных видов (в гаплоидном наборе).

4.6 Mb – размер генома

Основные отличия организации генов про- и эукариот:

Прокариоты
До 90% ДНК это

Чем сложнее организм, тем больше у него в геноме не кодирующей

Строение лактозного оперона бактерии кишечной палочки (E.coli).

Ген I

промотор оператор

Ген Z

Ген

У прокариот транскрипция (1) и трансляция(2) не разделены ни в пространстве,

Особенности экспрессии генов у прокариот дают нам ряд преимуществ

Многие антибиотики (аминогликозиды,

Рассмотрим этапы синтеза белка у эукариот

Типичный ген эукариот имеет свой промотор и несколько регуляторов

регуляторы

промотор

лидер

трейлер

кодирующая область -

Этапы реализации наследственной информации (синтеза белка)

Транскрипция - синтез РНК (всех видов)

1. Транскрипция – синтез РНК по матрице ДНК

Транскрипция включает:
Инициацию
Элонгацию
Терминацию

Факторов, участвующих

Факторы транскрипции

Специфические факторы транскрипции (например, гормоны)
инициируют или подавляют транскрипцию определенных

ДНК-связывающий домен типа «лейциновая молния» в комплексе с ДНК.

ДНК-связывающий домен

Специфические факторы влияют на уровень транскрипции

Транскрипция: инициация

ДНК

кодогенная(смысловая) цепь

матричная цепь

3’

5’

5’

3’

Нуклеотиды РНК

Фермент РНК-полимераза

Есть три РНК-полимеразы:
I и

Транскрипция: элонгация

ДНК

кодогенная(смысловая) цепь

матричная цепь

3’

5’

5’

3’

РНК-полимераза движется вдоль матричной цепи ДНК

Транскрипция: терминация

ДНК

3’

5’

5’

3’

РНК отделяется от ДНК

5’

3’

РНК

Сигналом терминации транскрипции служит определенная последовательность нуклеотидов,

Сейчас сезон грибов… (Медицинские аспекты регуляции транскрипции)

Гриб бледная поганка (Amanita), содержит

2. Процессинг мРНК

5’

3’

Кэпирование
Присоединение полиаденилового «хвоста»
Вырезание интронов
Сплайсинг экзонов
Модификация нуклеотидов

Незрелая мРНК

Кэп (7метил-гуанозинтирфосфат)

Хвост из

Сплайсинг – вырезание интронов и сшивание экзонов – осуществляет сплайсосома

Сплайсосома в

Сплайсосома распознает интроны по определенным последовательностям

Молекула пре-мРНК обязательно содержит специфические последовательности,

Сплайсинг может регулироваться. 94% генов у человека подвержены альтернативному сплайсингу, а

3.Трансляция

Трансляция – синтез полипептида из аминокислот в рибосоме по матрице

Свойства генетического кода (не путать со свойствами гена!):

Триплетность – одна аминокислота

Есть разные представления таблицы генетического кода

Амиокислоты записывают по трем первым буквам названия или одной буквой

В трансляции участвуют:

иРНК
тРНК
Рибосомы ( в состав рибосомы входит рРНК и белки)
Факторы

Процессинг тРНК

Нетипичные азотистые основания в тРНК

Инозин способен образовывать водородные связи с разными

тРНК (транспортная РНК) переносит аминокислоты к рибосоме

Cодержит от 76 до 90

Wobble hypothesis – теория неоднозначного соответствия, гипотеза качания, предложена Ф.Криком.
Нестрогое

Почему третье основание не столь важно?

Специфичность кодон-антикодонового взаимодействия обеспечивается главным образом

Аминокислота присоединяется к 3’ концу «своей» тРНК

аминокислота + тРНК +

Рибосома - немембранный органоид клетки, состоящий из белков и рРНК.

иРНК

Две молекулы

1.Инициация. Трансляция начинается с того, что иРНК соединяется с малой субъединицей

2. Элонгация. У рибосомы формируется функциональный центр

А У Г Ц Г

2. Элонгация. Между аминокислотами возникает пептидная связь СО-NH

А У Г Ц

2. Элонгация. После образования пептидной связи тРНК уходит, а рибосома сдвигается

2. Элонгация. Подходят новые тРНК, образуются пептидные связи, рибосома движется вдоль

3. Терминация. Когда в А-участке оказывается один из трех возможных стоп-триплетов

Рибосома вновь распадается на субъединицы

В синтезе длинного полипептида может участвовать несколько

4. Процессинг белка.

В ходе трансляции образуется полипептид (цепь аминокислотных остатков)

Примеры малых пептидов:

окситоцин

соединения, обладающие гормональной активностью (глюкагон, окситоцин, вазопрессин и др.);
вещества,

Примеры белков:самый большой известный белок – титин,

также известный как тайтин или

Процессинг индивидуален у каждого белка

Фолдинг – преобретение белком его трехмерной структуры.

К основным реакциям процессинга белков относятся:

1. Удаление с N-конца метионина или

Примеры белков: цинковые пальцы

Цинковый палец (англ. zinc finger) — тип белковой структуры,

Примеры белков: лейциновая молния

Лейциновая застёжка-молния (также лейциновая застёжка, лейциновая молния, англ. leucine

Фолдинг белков
Фолдинг – это процесс укладки вытянутой полипептидной цепи в правильную

Путь секретируемого белка лежит через каналы ЭПС к аппарату Гольджи

Пример: процессинг инсулина

1) Препроинсулин, 110 аминокислотных остатков (L — лидерный пептид, B —

Неправильный фолдинг и прионные болезни

Регуляция экспрессии генов у эукариот

История вопроса

XIX век. Август Вейсман и теория детерминант

половая клетка

дифференцировка и смерть

клетки тела

непрерывный

Это справедливо в части случаях: у некоторых червей и членистоногих

Вейсман опирался

точно известно общее число клеток тела(959) и что из чего разовьется.

Иначе обстоят дела у большинства других животных, в том числе человека.

Развитие стали представлять как процесс включения и выключения генов (а не

В ХХ века была сформулирована гипотеза дифференциальной активности генов

Ядро каждой клетки

Опыт Джона Гёрдона по клонирование африканской шпорцевой лягушки.

Гердон проводил опыты в

Политенные хромосомы личинок двукрылых

Dolly the sheep

А, Б – личинка в возрасте

Гены можно разделить на

конститутивные, т.е. всегда активные.
Их иногда называют «генами

Регуляция активности гена

Позитивная (индукция), включение

Негативная (репрессия), выключение

Регуляция экспрессии генов у прокариот

См. Предыдущую лекцию

Регуляция экспрессии генов у эукариот

Регуляция экспрессии генов у эукариот происходит на всех этапах синтеза белка.
Изменение

1. Число копий гена

1. Изменение числа копий гена

Х

Увеличение – амплификация. Например, у амфибий синтезируются

В выключении Х-хромосомы у самок млекопитающих участвует нкРНК

Канадский ученый Барр (1908

Инактивация Х-хромосомы у самок млекопитающих

В части клеток активна Х от отца,

Xist РНК окружает ту Х хромосому, с которой экспрессируется, и превращает

2. Транскрипция

Самый частый уровень регуляции экспрессии гена

2. Регуляция транскрипции

Много белков принимают в этом участие

Энхансеры – усилители

Многие белки благодаря своей конфигурации могут связываться с ДНК (являются регуляторами

На активность транскрипции влияют гистоны – белки хромосом

Ацетилирование гистонов ослабляет

Метилирование цитозина в ДНК, наоборот, подавляет транскрипцию

Нет метилирования – активный ген

У многоклеточных эукариот в роли регуляторов транскрипции выступают гормоны

клетка

ядро

ДНК

гормон

рецептор

транскрипция

Каскад реакций с

Стероидные гормоны в комплексе с рецептором связываются прямо с ДНК

3. Процессинг РНК

Регуляция процессинга РНК

Альтернативный сплайсинг

Редактирование РНК
Изменение РНК путем вставок,

Альтернативный сплайсинг приводит к появлению изоформ белков

Показано, что у человека 94 % генов подвержено альтернативному сплайсингу (у остальных

Пример редактирования РНК (эдитинг)

Ген аполипопротеина

ДНК

Пре-мРНК

кишечник

печень

без редактирования

редатирование: ЦАА ? УАА

Аполипопротеин В48

Аполипопротеин В100

4. Трансляция

Регуляция трансляции

Удлинение или укорочение времени жизни иРНК:
Пример: гормон пролактин удлиняет

5. Процессинг белка

5. Регуляция процессинга белка

Коллаген – основной белок соединительной ткани, около 30%

Синтез коллагена сложен и включает много посттрансляционных преобразований

Нарушение сборки коллагеновых фибрилл

Несса Кери пишет: