ГЕНОМ - совокупность всех генов организма

История термина Термин «геном» был предложен Гансом Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида

Варианты геномов. ГЕНОМ ЯДЕРНЫЙ МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ ПЛАСТИДНЫЙ ПЛАЗМИДНЫЙ

Ядерный геном - ДНК хромосом ядра Эукариотический ядерный геном химерный – несет гены бактерий, переместившиеся в ядерный геном в ходе процесса симбиогенеза.

ЯДЕРНЫЙ ГЕНОМ Прямой корреляции между количеством ДНК и эволюционной продвинутостью организма нет.

И.Э. Лалаянц «Раньше думали, что генов у человека около 100 тыс., а на самом деле их оказалось около 35 тыс. Недоумение понятно: у дрозофилы ген, у круглого почвенного червя – 19 тыс., у горчицы – 25 тыс. генов. Столь малое количество генов у человека не позволяет выделить его из животного царства и считать «венцом» творения».

Размер генома Объект Размер гаплоидного генома в парах нуклеотидов Микоплазмы Эубактерии (E.coli) Грибы (2-5)х 10 7 Водоросли (5-7)х 10 7 Черви ~10 8 Моллюски 5 х х 10 9 Насекомые х 10 9 Ракообразные ~ 10 9 Рыбы 3 х Амфибии 7 х х Рептилии (2-3)х 10 9 Птицы 10 9 Млекопитающие 3 х 10 9 Цветковые растения 2 х

Количество качество Большое количество ДНК не обязательно приносит качественно новую информацию. Амеба пошла на увеличение количества ДНК для увеличения размеров ядра и самой клетки. Генов у нее меньше, чем у плазмодия, но они копированы много раз. У малярийного плазмодия генов больше, чем у амебы, а ДНК меньше для максимальной компактности, что позволяет ему быть внутриклеточным паразитом.

Характеристики ядерного генома эукариот 1. Избыточность На ~ 10 6 п.н.у бактерий приходится ~5 тыс. генов. На ~10 9 п.н. у млекопитающих ~26 тыс. генов.

Избыточность ядерного генома эукариот - увеличение времени синтеза ДНК; - усложненный процесс удвоения ДНК; - высокая энергоемкость - на 1 нуклеотид для включения в цепь ДНК нужно затратить ~60 молекул АТФ Минусы Плюсы - возможность создания сложного регуляторного аппарата, поднимающего организм на более высокий эволюционный уровень

Причины избыточности: 1. Большой размер генов За счет наличия интронов. 2. Присутствие повторенных последовательностей. У эукариот некоторые последовательности повторены сотни и тысячи раз. 3. Наличие большого числа не кодирующих последовательностей. Выполняют регуляторную функцию при транскрипции, участвуют в компактизации генома.

Характеристики ядерного генома эукариот 2. Компактность генома При разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры эукариотических хромосом соизмеримы с ДНК прокариот. Благодаря компактизации ДНК нить "укорачивается" в раз.

% % длины генома занимают межгенные пространства, а половина из них – повторы. 95% 2. Ген человека внутри «пустой»: 95% внутригенной ДНК - интроны. 1% 3. Общая длина белок кодирующей ДНК около 1% от геномной ДНК человека. 3 4.Длина, кодирующей ДНК человека, лишь в 3 раза больше длины генома бактерий. Структурагеномачеловека Структура генома человека

Варьирует между таксонами: дрожжей У дрожжей он достигает 20%. млекопитающих У млекопитающих до 60% растений У растений может превышать 80%. Размер области повторов в геномах

Повторы в эукариотическом геноме Повторенная ДНК Повторенная ДНК - это нуклеотидные последовательности различной длины и состава, которые встречаются в геноме несколько раз либо в тандемноййй- повторенном, либо в диспергированном виде.

Классификацияповторов Классификация повторов 1. По взаимной ориентации прямые, инвертированные, симметричные повторы, палиндромы, комплементарные палиндромы

2. На основе полренатурации Быстрые повторы Умеренные повторы Уникальные гены Классификацияповторов Классификация повторов

1. Быстрые повторы К быстрым повторам относится сателлитная ДНК - это минорный компонент ДНК, отделяющийся от основной ДНК при ультрацентрифугировании в градиенте плотности CsCl.

Сателлитная ДНК ДНК с тандемноййй организованными высокоповторенными последовательностями. У некоторых видов эти повторы составляют большинство геномной ДНК. Например, у кенгуровой крысы (Dipodomys ordii) более 50% всего генома состоит из трех повторенных последовательностей: AAG (2.4 млрд. копий), TTAGGG (2.2 млрд. копий) и ACAAGCGGG (1.2 млрд. копий)

Классификация сателлитов 1. Микросателлиты 1. Микросателлиты - от 1 до 10 п.о. в основном повторяющемся блоке 2. Минисателлиты 2. Минисателлиты - с большим числом п.о. в индивидуальном повторе

Виды сателлитов 1. Классические сателлиты Сателлит 1 42 н. п Сателлит 1, имеющий элементарную повторяющуюся единицу длиной 42 н. п. и обнаруженный на хромосомах 3, 4, 13, 14, 15, 21, 22 ; Сателлит 2 5 н. п. Сателлит 2, имеющий элементарную повторяющуюся единицу длиной 5 н. п. и обнаруженный на хромосомах 1, 2, 10, 16 ; н. п Сателлит 3, имеющий элементарную повторяющуюся единицу длиной 5 н. п. и обнаруженный на хромосомах 1, 5, 9, 10, 13, 14, 15, 17, 20, 21, 22, Y ; Y

Виды сателлитов α-сателлитные повторы 171 н. п 2. α-сателлитные повторы, имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 171 н. п. и обнаруженные на всех хромосомах человека; β-сателлитные повторы 68 н. п. 3. β-сателлитные повторы, имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 68 н. п. и обнаруженные на хромосомах 1, 3, 9, 13, 14, 15, 21, 22, Y ; Y γ-сателлитные повторы 220 н. п. 4. γ-сателлитные повторы, имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 220 н. п. и обнаруженные на хромосомах 8, X8X сателлитные повторы 48 н. п. 5. сателлитные повторы, имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 48 н. п. и обнаруженные на хромосомах 13, 14, 15, 21, 22, Y ; Y Sn5-сателлитные повторы 6. Sn5-сателлитные повторы, обнаруженные на хромосомах 2, 13, 14, 15, 20, 21, 22 (длина повторяющейся единицы неизвестна)

Особенности сателлитов: 1. Эта ДНК никогда не транслируется и встречается в конститутивном гетерохроматине. В хромосоме чередуются участки гетерохроматина и эухроматина. Участки хромосом, которые в зависимости от стадий клеточного цикла могут быть в состоянии как гетеро-, так и эухроматина называют факультативным гетерохроматином. Участки, которые всегда уплотнены - конститутивный гетерохроматин. В нем, как правило, генов нет.

Особенности: 2. Сателлитная ДНК обязательно располагается в центромерном районе. В местах расположения сателлитной ДНК максимально компактизована. В конститутивном гетерохроматине все четыре уровня упаковки ДНК представлены даже в интерфазе.

Особенности: 3. Сателлитная ДНК всегда располагается тандемноййй по единиц в блоке.

Особенности: 4. У недавно образовавшихся на одной территории близких видов сателлитная ДНК разная.

2. Умеренные повторы Транскрибируемые и транслируемые или только транскрибируемые последовательности ДНК

гены регуляторные участки транскрибируемые и транслируемые Гены белков рибосом, гистоновые гены, гены мембранных белков, цито скелетных белков, гены иммуноглобулинов транскрибируемые, Гены тРНК, иРНК, тРНК Энхансерные модули, ori репликации, промоторы и терминаторы транскрипции Умеренные повторы

I. Классификация генов 1. Уникальные гены, имеющие специализированную функцию 1. Уникальные гены, имеющие специализированную функцию. Например, глобы новый, инсулиновый и другие гены. Они экспрессируются лишь в определенных клетках. 2. Уникальные гены, обладающие общими функциями, 2. Уникальные гены, обладающие общими функциями, экспрессирующиеся в подавляющем большинстве клеток. Эти гены плохо изучены. 3. Множественные сгруппированные гены. Это гены тРНК, часть генов тРНК, часть гистоновых генов. 4. Множественные рассеянные гены. Это оставшаяся часть гистоновых генов, оставшиеся гены тРНК и большинство генов иРНК, а так же МДГ (мобильные диспергированные (рассеянные) гены).

II. Классификация генов 1. гены «домашнего хозяйства» ( ) 1. гены «домашнего хозяйства» (кодируют то, что всегда нужно любой клетке независимо от типа ткани: гистоновые гены, гены тРНК, тРНК и т.п.) роскоши» (это гены, которые экспрессируются в клетках определенных тканей и в определенное время). 2. гены «роскоши» (это гены, которые экспрессируются в клетках определенных тканей и в определенное время).

Больше всего генов отвечают за экспрессию, репликацию и поддержание функций генома; около 20% - за передачу сигналов между клетками, около 17% - за то, чтобы клетка сама по себе была здорова, для других функции не классифицированы.

По представлениям на март 2005 года, у человека: белок-кодирующих генов 1700 генов могут нести 44,500 мутаций (в среднем 26 на ген), ассоциированных с заболеваниями. Для остальных известных мутаций связь с болезнями не выявлена.

Митохондриальный геном Митохондрии - клеточные органеллы, присутствующие во всех эукариотических организмах, осуществляющие реакции клеточного дыхания с выделением энергии, которая запасается в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Схема строения митохондрии: Схема строения митохондрии: 1 внутренняя мембрана; 2 межмембранное пространство; 3 наружная мембрана; 4 матрикс; 5 кристы.

Особенности организации процессов матричного синтеза В матриксе митохондрий находятся рибосомы, отличающиеся от рибосом ЭПС. На рибосомах митохондрий образуется не более 5% от всех мт- белков. Основная часть белков митохондрий, кодируется ядерным геномом, синтезируется на рибосомах ЭПС и транспортируется по ее каналам к месту сборки.

мтДНК геном клеточных органелл – митохондрий

История изучения мтДНК мт ДНК была открыта Маргит и Сильвен Насс в 1963 г. и, независимо, Эллен Харлсбруннер, Хансом Туппи и Готтфридом Шацем в 1964 г.

25- или М-хромосома Митохондрия содержит от 1 до 8 молекул мтДНК (1000 – 8000 копий на клетку), единой формы, т.е. одного гаплотипа, унаследованного по материнской линии.

25- или М-хромосома мтДНК - кольцевая двухцепочечная молекула ДНК, присутствует в органелле в виде ковалентно замкнутой суперспирализованной формы, ассоциированной с внутренней мембраной митохондрии.

Наследование мтДНК

25- или М-хромосома Мт ДНК человека включает п.н., кодирует: 13 белков – компонентов энзиматических систем окислительного фосфорилирования гены 2 тРНК и 22 тРНК

25- или М-хромосома. Структура и свойства: Компактность. Гены тРНК чередуются с генами тРНК Межгенные участки представлены короткими, в несколько нуклеотидов, вставками. Исключение - петля смещения, или D-петля, протяженностью 1,1 т.п.н. Это не кодирующая структура, обеспечивает ассоциацию мтДНК на мембране органеллы и содержит сайты, необходимые для инициации и регуляции процессов репликации и транскрипции мтДНК.

Нестабильность. Несмотря на компактность и отсутствие интронов, митохондриальный геном нестабилен – скорость эволюции (мутирования) мтДНК превышает таковую для ДНК ядерной в раз. 25- или М-хромосома. Структура и свойства:

Зона гипервариабельности. Наиболее изменчив контрольный регион мтДНК, или D-петля. Он содержит консервативные и вариабельные участки. Наиболее изменичив гипервариабельный сегмент I расположенный между позициями п.н. и п.н.

Репликация и транскрипция ДНК митохондрий млекопитающих Особенности строения мДНК В мтДНК выделяют H (heavy тяжелая) и L (light легкая) цепи. Они комплементарны, но различаются по удельной плотности, т.к. содержат разное количество тяжелых пуриновых и легких пиримидиновых нуклеотидов.

Репликация и транскрипция ДНК митохондрий млекопитающих Репликация мтДНК млекопитающих. 1. формируется D-петля, 2. синтезируется дочерняя Н-цепь, 3. начинается синтез дочерней L-цепи

Репликация и транскрипция ДНК митохондрий млекопитающих 1 Этап репликации Образуется D-петля (от англ. displacement loop петля смещения), состоящая из двуцепочечного и одноцепочечного (отодвинутой части Н-цепи) участков.

Репликация и транскрипция ДНК митохондрий млекопитающих Двуцепочечный участок формируется частью L-цепи и комплементарным ей синтезированным фрагментом ДНК длиной нуклеотидов, имеющим на 5'-конце затравку, которая соответствует точке начала синтеза Н-цепи (ori H). – 2 этап

Репликация и транскрипция ДНК митохондрий млекопитающих 3 этап. Синтез L-цепи начинается, когда Н-цепь доходит до точки ori L, т.к. область инициации репликации L-цепи доступна для ДНК- полимераз лишь в одноцепочечном состоянии, а следовательно, только в расплетенной двойной спирали при синтезе Н-цепи. Дочерние цепи мтДНК синтезируются непрерывно и асинхронно

Гены тРНК обозначены светло-зеленым цветом. ND1ND6, ND4L гены субъединиц НAД-H- дегидрогеназного комплекса; СОICOIII гены субъединиц цитохром- с-оксидазы; ATP6, ATP8 гены субъединиц AТФ- синтетазы Cyt b ген цитохрома b.

Транскрипция мтДНК человека, содержащей 37 генов. Все транскрипты начинают синтезироваться в районе ori H. Рибосомные РНК вырезаются из длинного и короткого транскриптов Н-цепи. тРНК и mРНК образуются в результате процессинга из транскриптов обеих цепей ДНК.

Каждая из цепей мтДНК транскрибируется с образованием одной молекулы РНК, начинающейся в районе ori H. Помимо двух длинных молекул РНК, комплементарных Н- и L-цепям, формируются и более короткие участки Н-цепи, которые начинаются в той же точке и заканчиваются на 3'- конце гена 16S тРНК

Коротких транскриптов в 10 раз больше, чем длинных. В результате процессинга из них образуются 12S тРНК и 16S тРНК, участвующие в формировании митохондриальных рибосом, а также фенилаланиновая и валиновая тРНК.

Из длинных транскриптов вырезаются остальные тРНК и образуются транслируемые mРНК, 3-концы которых полиаденилируются, а 5'-концы не кэпируются. Сплайсинг не происходит, т.к. митохондриальные гены млекопитающих не содержит интронов.

В мтДНК записаны мт-белки и большинство мтРНК (за исключением нескольких иРНК и части тРНК, которые транспортируются в митохондрию из цитоплазмы).

Особенности генома митохондрий 1. отклонения от универсального генетического кода В митохондриях человека кодон АУА кодирует метионин вместо изолейцина в стандартном коде. Кодоны АГА и АГГ, в стандартном коде кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами. Кодон УГА, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует триптофан.

Особенности генома митохондрий 2 2. Одна молекула тРНК узнает сразу четыре кодона 22 тРНК достаточно для узнавания 64 кодонов, тогда как для обычных рибосом их должно быть не менее 32, а у некоторых организмах найдено до 61.

Особенности генома митохондрий 3 3. Редактирование РНК Включает замену Ц на У в строго определенных местах либо, наоборот, происходит замена У на Ц. Процесс осуществляется специфическими ферментами, исправлению подвергаются различные участки РНК, преимущественно участки, кодирующие аминокислоты.

Редактирование У высших растений исправляется от 3 до 15% нуклеотидов (в отдельных mРНК до 40%) У простейших - до 50%. В водорослевых митохондриях редактирование отсутствует, что свидетельствует о том, что данное свойство появилось в эволюции в связи с выходом растений на сушу. Редактирование наблюдается и в пластидах, но там оно составляет всего около 0,13% кодонов.

Особенности генома митохондрий Перекрывание генов (в митохондриальном геноме курицы ген тирозиновой тРНК перекрывается одним нуклеотидом с геном цистеиновой тРНК).

МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ ГЕНОМЫ РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ К настоящему времени ДНК митохондрий секвенирована более чем у 20 видов простейших, у человека, дрожжей, растений маршанции и арабидопсиса.

«Митохондриальная Ева» и «Y-хромосомный Адам» возраст Евы (т. е. точки соединения всех типов мтДНК в прошлом) примерно 200 тысяч лет. Y-хромосомный Адам оказался гораздо моложе мт Евы около 100 тысяч лет.

Пластом Генетическая информация пластид (ДНК хлоропластов и митохондрий)

Митохондрии растений Количество митохондрий в растительной клетке составляет от 50 до Каждая митохондрия содержит от 1 до 100 копий генома.

Митохондрии растений Митохондриальный геном растений кодирует: 1.3 рибосомные РНК, 2.16 (более половины) транспортных РНК, 3.~ 10 рибосомальных белков, 4. белки дыхательной цепи, 5. часть субъединиц АТФ-синтетазы, 6.4 белка, участвующих в синтезе цитохрома С.

Схема образования кольцевых молекул ДНК разного размера в митохондриях растений. Рекомбинация происходит по повторенным участкам (обозначены синим цветом). Митохондриальный геном растений состоит из молекул разного размера. 1. основная хромосома, содержит большую часть генов. 2. кольцевые формы меньшей длины, находятся в динамическом равновесии как между собой, так и с основной хромосомой, и образуются в результате внутри- и межмолекулярной рекомбинации

В митохондриях большинства организмов (кроме высших животных) часть кольцевых молекул ДНК присутствует в виде олигомеров, которые можно разделить на три класса: А. линейные; Б. кольцевые, имеющие контурную длину, кратную длине мономерных колец; В. цепные, катенаны, состоящие из топологически связанных, т.е. продетых друг в друга, мономерных колец

Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеров мтДНК.

Растительные митохондрии отличаются от митохондрий животных. 1. дополнительные пути электронного транспорта 1. дополнительные пути электронного транспорта, не сопряженные с синтезом АТФ, включая несопряженные окисления НАДН и НАДФН снаружи и изнутри митохондрии, а также несопряженный перенос электронов с убихинона на кислород. Белки, осуществляющие эти реакции (альтернативные НАД(Ф)Н-дегидрогеназы и альтернативная оксидаза, устойчивая к цианиду), кодируются в ядре. Функция этих путей связана с фотосинтезом и заключается в необходимости быстрого окисления фотосинтетически образуемых субстратов.

Растительные митохондрии отличаются от митохондрий животных. больше 2. Размером. Геном митохондрий растений больше генома животных митохондрий.

мтДНК арабидопсиса (367 т.п.н) в 20 раз больше мтДНК человека (17 т.п.н.) В мтДНК арабидопсиса закодировано 33 белка, 3 тРНК и 20 тРНК

3. Варьированием размера. В семействе тыквенных у арбуза мт геном 330 т.п.н., у тыквы он содержит 850 т.п.н., у дыни т.п.н. Растительные митохондрии отличаются от митохондрий животных.

Размер геномов митохондрий больше, чем размер геномов пластиды ( т.п.н.), однако в митохондриальном геноме растений меньше уникальных кодирующих последовательностей.

ДНК пластид Пластиды – это мембранные органоиды, фотосинтезирующих эукариотических организмов (высшие растения, низшие водоросли, некоторые одноклеточные организмы).

У высших растений найден целый набор различных пластид (хлоропласт, лейкопласт, амилопласт, хромопласт), представляющих собой ряд взаимных превращений одного вида пластиды в другой.

В пластидах (хлоропласте, хромопласте, лейкопласте) есть рибосомы и нить ДНК.

Геном пластид хлоропласты имеют собственную генетическую систему, обеспечивающую синтез ряда белков внутри самих пластид. В матриксе хлоропластов обнаруживаются ДНК, разные РНК и рибосомы.

ДНК хлоропластов представлена кольцевыми молекулами длиной до мкм в одном хлоропласте может быть множество копий ДНК ДНК хлоропластов не состоит в комплексе с гистонами основные регуляторные последовательности транскрипции (промоторы, терминаторы) одинаковы с прокариотами

ДНК хлоропластов на ДНК хлоропластов синтезируются все виды РНК. кодирует тРНК, входящую в состав рибосом хлоропластов, которые относятся к прокариотическому 70S типу (содержат 16S и 23S рРНК). основная масса белков хлоропластов контролируется ядерным геномом. ядерные гены кодируют ДНК- полимеразу и аминоацил-тРНК- синтетазу хлоропластов, большую часть рибосомных белков.

Хлоропластная ДНК одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardii несет гены устойчивости к различным антибиотикам: стрептомицину (sm), эритромицину (еrу), олеандомицину (оlе), неомицину (пеа).

ДНК хлоропластов высших растений кодирует до 120 генов: гены 4 тРНК, 20 рибосомных белков хлоропластов, гены субъединиц РНК-полимеразы хлоропластов, белки I и II фотосистем, 9 из 12 субъединиц АТФ-синтетазы, часть белков комплексов цепи переноса электронов, одной из субъединиц рибулозодифосфат-карбоксилазы (ключевой фермент связывания СО2), 30 молекул тРНК и еще 40 пока неизвестных белков.

Митохондриальные болезни Болезни, вызванные дефектами митохондрий, приводящими к нарушениям энергетических функций в клетках эукариотов

Митохондриальные болезни В одной клетке у человека может присутствовать до 1000 митохондрий. Дефект любого из ферментов митохондрий нарушает слаженную работу всей органеллы. В первую очередь страдают наиболее энергозависимые ткани и органы - центральная нервная система, скелетные и сердечная мышцы, почки, печень, эндокринные железы.

Митохондриальные болезни известно около 50 таких болезней В их клинике доминируют поражения ЦНС и мышечной ткани. Симптомы типичными для митохондриальных заболеваний: мышечные боли, слабость и атрофия мускулатуры, непереносимость физических нагрузок, полинейропатия, судороги, отсутствие рефлексов, атрофия зрительного нерва, нейросенсорная тугоухость, мигрени, летаргические состояния, изменения психомоторного развития, олигофрения и деменция.

Примеры митохондриальные болезни Синдром хронической усталости. Факторы патогенеза: повышенное образование молочной кислоты в ответ на физическую нагрузку, нарушение транспорта кислорода к тканям, снижение числа митохондрий и их дисфункция

Примеры митохондриальные болезни Синдром MELAS (Mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke- like episodes): диабет судороги снижение слуха сердечными заболеваниями низким ростом эндокринопатиями непереносимость физических нагрузок нейропсихиатрическими отклонениями

Чем больше времени прошло с момента разделения видов, тем больше накопилось различий в их ДНК.