Лекция 9. Организация геномов вирусов, прокариот, эукариот Мяндина Галина Ивановна д.б.н., профессор

Понятие «геном» Геном - это гаплоидное число хромосом, специфичное для организмов каждого вида (Г. Винклер, 1920) Геном - это совокупность всех групп сцепления хромосомных и внехромосомных ДНК в клетке организма данного вида

Понятия генома и ДНК тождественны Геном - это совокупность всех молекул ДНК в клетке организма данного вида Геном человека состоит из 3.1 x 10 9 пар нуклеотидов (п.н.) ДНК

Геномы прокариот и эукариот Хромосомная ДНК содержится: Прокариоты - в нуклеоиде Эукариоты - в ядре Внехромосомная ДНК: Прокариоты – плазмиды, Эукариоты - ДНК митохондрий (мтДНК) и хлоропластов, кольцевые ДНК в нуклеоплазме (эписомы) В хромосомах эукариот содержится 95% всей ДНК, в митохондриях – 5%

Геном – это генетическая характеристика вида геном Homo sapiens включает: 24 ДНК хромосом (22 аутосомы, Х- и Y- хромосомы) одна ДНК митохондрий (мтДНК)

Содержание ДНК в клетках организмов разных видов (С-парадокс) Название видап.н./геном E. coli4.5 x 10 6 Homo sapiens3.1 x 10 9 Drosophila1.7 x 10 8 Maize2.0 x 10 9 Arabidopsis7.0 x 10 7 Lily1.0 x 10 11

Принцип организации генетического материала в клетке Существует несоответствие между длиной молекулы ДНК и размером клетки Поэтому ДНК может существовать в виде компактной структуры в строго ограниченном участке клетки Суммарная длина молекул ДНК в клетке человека -1,8 м, диаметр ядра – 5 мкм

Хромосома прокариот - кольцевая суперспирализованная двухцепочечная ДНК

Упрощенная генетическая карта хромосомы E.coli Расстояние между генами прокариот измеряют в минутах (цифры внутри кольца) гены (опероны) обозначены символами

Плазмиды – внехромосомные ДНК бактерий Электронная микрофотография открытых кольцевых молекул ДНК плазмид Кольцевые молекулы ДНК Являются репликонами и могут существовать самостоятельно Конъюгативные плазмиды содержат гены переноса и обеспечивают процесс конъюгации у бактерий Плазмиды содержат гены, обеспечивающие дополнительные свойства бактериальной клетки (например, устойчивость к антибиотикам)

Степень конденсации (плотность упаковки) хромосом = размер молекулы ДНК длина хромосомы Самая короткая хромосома человека: 4,6Х10 7 п.н. ДНК ( мкм), В митозе ее размер составляет 2 мкм Степень конденсации = 14000/2 = 7000

Нуклеосома – элементарная единица структуры хроматина эукариот ~146 п.н. ДНК образуют 1,7 витка вокруг белкового кора Белковое основание («кор») состоит из 8 молекул белков- гистонов – Н2А, Н2В, Н3 и Н4

Уровни организации хроматина эукариот

Уровни организации хроматина метафазная хромосома – 1400 нм участок метафазной хромосомы – 700 нм; Нуклеомеры- субъединицы толстой фибриллы нм хроматиновая фибрилла – 30 нм; нуклеосомы – 11 нм двойная спираль ДНК – 2 нм

Хромосомная ДНК эукариот состоит из участков Уникальные последовательности представлены в одной-двух копиях на геном (45%) Повторяющиеся последовательности (повторы) -55%: различают высоко повторояющиеся и умеренно повторяющиеся последовательности ДНК Кодирующие последовательности составляют 1,5% - 2% генома человека

Инвертированные повторы (палиндромы) Одинаковые последовательности ДНК, взаимно противоположной ориентации в цепях ДНК А А Т Т Г Т А Ц А А Т Т Т Т А А Ц А Т Г Т Т А А

Тандемные и диспергированные повторы Тандемные повторы расположены блоками (в тандеме) во многих участках хромосом эукариот, например: ТТАГГГ… ТТАГГГ ТТАГГГ//ТТАГГГ Диспергированные повторы не объединены в блоки и рассеяны по всему геному В зависимости от размера повторенного фрагмента различают: сателлиты, минисателлиты и микросателлиты

Повторы ТандемныеДиспергированные сателлиты LINE (повторяющаяся единица имеет длину п.н) минисателлиты SINE (повторяющаяся единица – 50 – 300 п.н.) микросателлиты

При изучении генома человека мы узнали: геном человека содержит 3 млрд.164 млн. 700 т.п.н. общее число генов составляет – Функции 50% генов неизвестны Наибольшее количество генов содержит хромосома 1 (2968 генов), наименьшее – Y- хромосома (231 ген). наши ДНК совпадают на 99,9%, т.е. индивидуальные отличия составляют 0,1% генома человека 1,5% генома человека кодируют белки повторяющиеся последовательности занимают 50% генома человека

последовательности ДНК человека Геном человека Экзоны 1,5% Интроны, промоторы, энхансеры, сайленсеры 24% Уникальные некодирующие последовательности 15% Повторы, содержащие МГЭ 44% Повторы, не содержащие МГЭ 15%

Внехромосомная ДНК эукариот содержится в митохондриях и пластидах электронная микрофотография мтДНК мыши

Митохондриальная ДНК человека содержит 37 структурных генов

Характеристика мтДНК наследуется по материнской линии гены мтДНК не имеют интронов нет системы репарации нет гистонов генетический код отличается от ядерного большую часть белков митохондрий кодируют хромосомные гены мутации генов митохондрий – причина митохондриальных болезней человека

Мобильные генетические элементы (МГЭ) это последовательности ДНК с непостоянной локализацией Транспозиция МГЭ обеспечивается особенностями их структуры и наличием белков- ферментов (транспозазы и резольвазы)

Свойства МГЭ Содержат гены транспозиции и осуществляют перенос генов Не являются репликонами не могут существовать самостоятельно Являются биологическими мутагенами Изменяют активность генов Обеспечивают рекомбинацию хромосом и эволюцию геномов

Мобильные элементы генома Прокариоты IS элементы и транспозоны Эукариоты Транспозоны и ретротранспозоны

механизмы транспозиции МГЭ Cut – paste: вырезание МГЭ и его встраивание в другой участок ДНК Copy – paste: образование копии МГЭ (репликация) и ее перемещение в другой участок ДНК, увеличение числа копий МГЭ

Мобильные элементы генома прокариот IS– элементы – (insertion sequences) - простые инсерционные последовательности размером от 800 до 1000 п.н., содержат ген транспозазы и концевые IR-элементы (инвертированные повторы) Транспозоны (Tn) – сложные МГЭ, размером более 2000 п.н., содержат гены транспозазы и резистентности к антибиотикам

Мобильные элементы генома эукариот транспозоны - редко встречаются в геноме эукариот. ретротранспозоны - транспозиция происходит при образовании РНК - копии с последующим синтезом копии ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (RT). Большая часть мобильных элементов генома эукариот – это ретротранспозоны

Мобильные элементы генома человека Ретротранспозоны - к ним относятся последовательности SINE (Alu) и LINE (L1) Эндогенные ретровирусы (HERV) транспозоны (редко, например, транспозон mariner)

Геномы вирусов могут быть представлены разными формами молекул ДНК или РНК: Однонитевая кольцевая ДНК (фаг М13) Однонитевая линейная ДНК (парвовирусы) Двунитевая кольцевая ДНК (фаг λ, вирусы папилломы человека) Двунитевая линейная ДНК (аденовирусы, герпесвирусы) Однонитевая РНК (ретровирусы, вирус полиомиелита) Двунитевая РНК (реовирусы)