Молекулярные основы наследственности Зенкина Виктория Геннадьевна, к.м.н.

План лекции: Доказательства генетической роли ДНК Химический состав хромосом, функции и свойства ДНК Биологический код, его характеристика Репликация ДНК Особенности строения и виды РНК Реализация наследственной информации: транскрипция, процессинг, трансляция. Особенности строения и виды РНК. Регуляция генной активности Репаративные процессы в ДНК Генная инженерия Цитоплазматическая наследственность Мутагены и антимутагены

Трансформация – включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку (Гриффитс, 1928 год, при изучении штаммов пневмококка) свойство убитых бактерий - наличие капсулы и вирулентность передались от убитых бактерий к живым, произошла трансформация R штамма в S.

Трансдукция – способность вируса захватывать с собой часть ДНК клетки хозяина и передавать новым хозяевам свойства прежних Ледеберг и Зиндер в 1952 г – опыты по трансдукции. Вирус – бактериофаг добавили к бактериям, синтезирующим триптофан …

Доказательства генетической роли ДНК: 1) изотопный способ: бактериофаги помечали радиоактивной серой и фосфором, в результате вновь образованные фаги содержали только фосфор, которым была помечена ДНК 2) опыты по гибридизации вирусов, когда гибриды содержали белковый футляр одного вида, а нуклеиновую кислоту другого 3) конъюгационный перенос: две бактерии – кишечные палочки могут конъюгировать между собой и ДНК одной переходит к другой 4) клонирование клеток, метод соматической гибридизации

Химический состав хромосом Хромосомы состоят из ДНК (40%) и белка (60%) Белков 2 вида: гистоновые (основные – 70%) и негистоновые (кислые – 30%)

Строение ДНК ДНК – полимерная молекула, состоящая из повторяющихся мономерных звеньев, называемых нуклеотидами Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара – дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1 присоединяется азотистое основание, к пятому атому С-5 с помощью эфирной связи – фосфат, у третьего атома С-3 всегда имеется гидроксильная группа – ОН Соединение нуклеотидов в макромолекулу происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь Азотистые основания в ДНК: аденин, гуанин – пуриновые; тимин и цитозин - пиримидиновые

Правила Чаргаффа У всякого организма число адениновых нуклеотидов равно числу тимьяновых, а число гуаниновых числу цитозиновых: А=Т, Г=Ц Число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых оснований: А+Г=Т+Ц Соотношение А+Т/Г+Ц = видовому индексу (у человека 1,53) Количество нуклеотидов в молекуле ДНК равно 100% или 1: А+Г+Т+Ц = 100%

Молекула ДНК включает две полинуклеотидные цепи, соединённые друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности Принцип комплементарности: аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК антипараллельны, т.е. взаимопротивоположны: 5- конец одной цепи соединяется с 3 – концом другой, и наоборот. На 5- конце цепи ДНК всегда расположен свободный фосфат у 5-атома углерода, на противоположном 3- конце – свободная ОН-группа у 3 атома углерода

Модель ДНК Свойства ДНК: двухцепочечная, правозакрученная спираль, гены в которой располагаются линейно, антипараллельность цепей, прерывистость (интроны и экзоны). Ген – участок ДНК, состоящий из нуклеотидов от нескольких десятков до тысяч, кодирующий какой-либо признак Функции ДНК: хранение и воспроизводство генетической информации

Генетический код – это последовательность нуклеотидов в цепи ДНК, которая определяет последовательность аминокислот в белке Свойства кода: – триплетность – коллинеарность (линейность) – неперекрываемость – однозначность – избыточность (выражденость) – универсальность

Репликация ДНК Репликация ДНК Синтез ДНК называется репликацией или редупликацией. В 1959 г. Артуру Корнбергу была присуждена Нобелевская премия за открытие механизма биосинтеза ДНК.

Принципы репликации ДНК 1.Прерывистость. Синтез новых цепей ДНК фрагментами. Репликон – участок между двумя точками, в которых начинается синтез «дочерних» цепей. 2.Комплементарность. 3.Полуконсервативность. 4.Антипараллельность.

РНК Нуклеиновая кислота, состоящая из нуклеотидов, в состав которых входят азотистые основания (А У Г Ц), сахар рибоза и остаток фосфорной кислоты Виды РНК: информационная, рибосомальная, транспортная и затравочная Все виды РНК образуются в ядре

И - РНК И-РНК образовавшаяся в результате транскрипции называется незрелой, т.к. имеет в своем составе интроны и экзоны Процесс созревания (вырезание неинформативных участков – интронов) называется процессинг. В этом участвуют рестриктазы А процесс сшивания экзонов – сплайсинг происходит с помощью лигаз

Р-РНК (90%) включает в себя до нуклеотидов из р-РНК построен структурный каркас рибосом, ей принадлежит важная роль в инициации, окончании синтеза и отщеплении готовых молекул белка от рибосом

Т-РНК (10-15%) состоит из нуклеотидов массой тыс. содержится в цитоплазме клеток и осуществляет перенос аминокислот из цитоплазмы на рибосомы имеет вид клеверного листа. на одном из концов имеет участок, к которому прикрепляется определенная аминокислота – акцепторный участок, на другом – участок, в котором располагается антикодон – это три нуклеотида, комплементарные кодону м-РНК.

Z-РНК (0,1%) участвует в репликации короткие молекулы, необходимые для синтеза фрагментов Оказаки, отстающей цепи ДНК при репликации

Гены подразделяются: Структурные – гены, кодирующие белки; Регуляторные или функциональные - гены, контролирующие синтез РНК, оказывающие влияние на активность структурных генов. Экзоны - кодирующие участки гена, отвечающие за синтез аминокислотной последовательности белка. Интроны – некодирующие участки гена.

Транскрипция Транскрипция – это процесс переписывания информации с молекул ДНК на и-РНК с помощью фермента РНК-полимеразы по принципу комплементарности. Этапы транскрипции: 1. Связывание РНК-полимеразы с промотором 2. Инициация – начало синтеза 3. Элонгация – рост цепи РНК 4. Терминация – завершение синтеза и-РНК.

И-РНК образовавшаяся в результате транскрипции называется незрелой, т.к. имеет в своем составе интроны и экзоны. Процесс созревания (вырезание неинформативных участков – интронов) называется процессинг. В этом участвуют рестриктазы. А процесс сшивания экзонов – сплайсинг происходит с помощью лигаз.

В структуре зрелой и-РНК выделяют 1. инициирующая часть: колпачок (узнает), лидер кодон (присоединяется к комплементарному ему участку малой субъединицы рибосомы), стартовый кодон (АУГ – формил-метионин) 2. кодирующая часть (элонгатор) – экзоны, которые кодируют аминокислоты белка 3. терминатор – триплет, заканчивающий трансляцию

Трансляция – это процесс реализации информации, закодированной в структуре м-РНК, в последовательность аминокислотных остатков белка.

Этапы трансляции: - присоединение и-РНК к рибосоме - активация а/к и ее присоединение к т-РНК - инициация (начало синтеза полипептидной цепи) - элонгация – удлинение цепи - терминация – окончание синтеза - дальнейшее использование и-РНК или ее разрушение

Регуляция генной активности Схема Ф. Жакобо и Ж. Моно, 1961 г.

Единица регуляции транскрипции – оперон, в состав которого входят: 1. Промотор – место прикрепления РНК-полимеразы 2. Ген-оператор – регулирует доступ РНК-полимеразы к структурным генам, взаимодействуя с регуляторными белками 3. Инициатор – место начала считывания генетической информации 4. Структурные гены – определяют синтез белков- ферментов, обеспечивающие цепь последовательных биохимических реакций 5. Терминатор – последовательность нуклеотидов завершающих транскрипцию

Ген-регулятор расположен вблизи оперона, он постоянно активен, на основе его информации синтезируется белок – репрессор Белок – репрессор образует химическое соединение с геном-оператором, и препятствует соединению РНК-полимеразы с промотором

Механизм регуляции активности оперона - индукция

РЕПАРАЦИЯ ФОТОРЕАКТИВАЦИЯ или СВЕТОВАЯ репарация. В результате УФ - облучения целостность молекул ДНК нарушается, так как в ней возникают димеры, т. е. сцепленные между собой соединения в области пиримидиновых оснований. Фотореактивация катализируется ферментом фотолиазой, который активируется фотоном света и расщепляет димер на исходные составляющие. ТЕМНОВАЯ или ЭКСЦИЗИОННАЯ репарация. Осуществляется в пять этапов: 1 - нарушения узнаются специфическими белками; 2 - эндонуклеазы делают надрезы в поврежденной цепи; 3 - экзонуклеазы осуществляют вырезание поврежденного участка; 4 - синтез нового участка по принципу комплементарности взамен удаленного фрагмента, с помощью ДНК- полимеразы; 5 - ДНК-лигаза соединяет концы старой цепи и восстановленного участка.

Генная инженерия совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Основные направления – создание трансгенных растений и животных и разработка принципов генной терапии.

1. Получают нужный ген. 2. Подбирают вектор, обладающий всеми необходимыми характеристиками. 3. Вектор и клонированный ген обрабатывают одинаковыми рестриктазами. 4. Сшивают вектор и встроенный ген с помощью ДНК-лигазы. 5. Вводят рекомбинантную конструкцию из вектора и встроенного гена в клетки–мишени реципиента – осуществляют трансформации. 6. Проверяют наличие трансгена в клетках – мишенях.

Цитоплазматическая наследственность Собственную ДНК имеют пластиды, митохондрии, центриоли. Пластидная наследственность обнаружена у декоративных цветов львиного зева, ночной красавицы. В цитоплазме бактерий обнаружены автономно расположенные плазмиды, состоящие из кольцевых молекул ДНК. Выделяют три типа плазмид: содержащих половой фактор F, фактор R и плазмиды-колиценогены. Фактор R встречается у ряда патогенных бактерий, с ним связана устойчивость к ряду лек. средств. Эти плазмиды имеют ген образования конъюгационного мостика. Такие мостики образуются между кишечной палочкой, обитающей в кишечнике и патогенными бактериями и фактор R может переходить от кишечной палочки к ним. В результате они становятся нечувствительными к тем лекарствам, которые обычно для них губительны.

Благодарю за внимание