К.б.н. Вишневская Т.Ю. 2013 г. Desulforudis audaxviator 2157 белок-кодирующих генов Pan troglodytes 23–25 тыс. белок-кодирующих. - презентация

1 к.б.н. Вишневская Т.Ю г. Desulforudis audaxviator 2157 белок-кодирующих генов Pan troglodytes 23–25 тыс. белок-кодирующих генов

2 Прокариоты Эукариоты низшие Эукариоты высшие Количество структурных генов – увеличивается не пропорционально усложнению морфо-физиологии Плотность расположения структурных генов падает Количество регуляторных элементов и общая пластичность генома увеличиваются Регуляция экспрессии становится все более многоступенчатой и многофакторной Увеличивается доля совмещенных геномов Переход к эукариотам

3 При переходе от прокариот к эукариотам и от одноклеточных к многоклеточным увеличивается размер генома. Но среди многоклеточных эукариот нет корреляции между размером генома и сложностью организма: наименьший размер генома животного – 20 млн п.н. у паразитической нематоды Pratylenchus coffeae Мраморный протоптер, или целакант,(Protopterus aethiopicus) – 133 млрд п.н. (фото Joel Abroad/Flickr.com) Вороний глаз японский (Paris japonica) – 152,23 млрд п.н., т.е. 91 м ДНК/клетку, но он октоплоид 8n (фото Neil Roger/Flickr.com ) Геном человека – 3,4 млрд п.н., или 3,4 пикограмма (пк), или около 2 м ДНК/клетку – в 45 раз короче, чем у целаканта Ядерный и цитоплазматический геном эукариот

4 Группа организмов Время появления Вид с минимальным размером генома в группе Размер генома Все организмы 4 млрд лет назад Бактерия (Pelagibacter ubique) 1,3 млн п.н Эукариоты 2 млрд лет назад Сумчатый гриб (Ashbya gossypii ) 9,2 млн п.н. Животные 1,25 млрд лет назад Нематода (Pratylenchus coffeae) 19,6 млн п.н Хордовые 575 млн лет назад Туниката (Oikopleura dioica) 68,5 млн п.н Позвоночные 540 млн лет назад Костная рыба (Tetraodon fluviatilis) 342 млн п.н. Тетраподы 375 млн лет назад Лягушка (Limnodynastes ornatus) 931 млн п.н. Амниоты 315 млн лет назад Фазан (Phasianus colchicus) 951 млн п.н. Млекопитающие 220 млн лет назад Летучая мышь (Miniopterus schreibersi) 1,695 млрд п.н. Приматы 65 млн лет назад Обезьяна-прыгун (Callicebus torquatus) 2,215 млрд п.н.

5 Соотношение по количеству структурных генов Соотношение по размеру генома Про- и эукариоты в большей степени различаются не по числу генов, а по размеру генома: минимальное количество генов у бактерии микоплазмы – 470, у дрожжей – 6000, у нематоды – 19000, у человека – около У бактерий количество хромосомной ДНК, приходящейся на один ген,– 1000 п.н. (гены упакованы очень плотно). У дрожжей – 2000 п.н.; у 4–40% генов появляются интроны. У нематоды – 5000 п.н. на ген и еще больше интронов и спейсеров. У человека – 80–100 тыс. п.н.; в геноме большие межгенные пространства и большие пространства внутри генов, которые не переходят в зрелую РНК. Геном дрозофилы состоит из порядка 132 млн п.н. и около генов. человек дрозофила

6 Плотность расположения генов в геноме в процессе эволюции падает Около 1 тыс. п.н. на 1 ген Около 2 тыс. п.н. на 1 ген Около 5 тыс. п.н. на 1 ген Около 10 тыс. п.н. на 1 ген Около 80–100 тыс. п.н. на 1 ген

7 ДНК – РНК (98% всех транскриптов) ДНК – РНК – белок ДНК - ? У человека структурных генов 1,4%, из них 20% – гены «домашнего хозяйства», 80% – гены «роскоши»

8 Картина окраски зависит от увеличенного или уменьшенного содержания АТ- или ГЦ- пар. Дифференциальная окраска хромосом применяется для выявления и идентификации небольших индивидуальных изменений генома. У человека структурные гены распределены по хромосомам неравномерно: в среднем 10 на 1 млн п.н., но в 2-, 13-й и Y – от 1,5 до 7, а в 19-й хромосоме – 20 генов/млн п.н.

9 В геноме человека около 200 копий кластеров генов рРНК. Один кластер содержит гены 18S рРНК, 5,8S рРНК и 28S рРНК. В акроцентрических хромосомах (13, 14, 15, 21, 22-я пары) кластеры расположены тандемной в большом количестве копий, формируя ядрышковый организатор. Гены, кодирующие 3 вида рРНК, и гистоны расположены в геноме человека в виде кластеров, они располагаются рядом, образуя тандемные дупликации. Расположение в геноме генов разных видов РНК local/prep/rj/index.php?id=1911&p=227

10 Спейсер Пром.Терм. ДНК - кластер Про-рРНК Процессинг, образуется ядрышко 5S рРНК Транспорт в цитоплазму Кодируется и процессируется отдельно В цитоплазме субъединицы рибосомы ждут инициации трансляции

11 Внутренний промотор генов тРНК располагается внутри кодирующей последовательности и имеет два района (А- и В-боксы). Внутренний промотор тРНК Гены тРНК и 5S рРНК локализуются в разных участках разных хромосом, но всегда подряд по несколько десятков, чаще – по несколько сотен, образуя средние повторы. У человека на гаплоидный набор приходится около 2 тыс. копий гена 5S рРНК и около 1300 генов тРНК. Спейсеров между этими генами обычно нет, транскрибируются они по одному либо по несколько подряд, тогда процессинг транскрипта заключается в его разрезании.

12 Структурные гены могут быть уникальными, могут образовывать редкие повторы, например, гистоновые гены имеют до 400 копий на геном, обычно располагаются группами (кластерами) по 10–20 копий подряд. Между генами могут быть спейсеры либо сателлитная ДНК (фрагменты по 10–200 пар нуклеотидов, которые повторяются очень много раз – до 10 6, т.е. образуют частые повторы) МикроРНК (microRNA, miRNA) – класс не кодирующих РНК, длиной около 22 нуклеотидов. Эти РНК играют важную роль в регуляции трансляции и деградации иРНК, связываясь с определенными ее участками. У животных экспрессия микроРНК происходит в два этапа. Сначала с гена микроРНК транскрибируется протяженный первичный транскрипт, который может содержать в себе несколько копий микроРНК. Процессинг первичного транскрипта осуществляется в 2 этапа: первый в ядре, второй в цитоплазме

13 Структура теломер. Зелёным цветом показан ион металла, хелатированный в центре структуры. В клетках человека теломеры обычно представлены одноцепочечной ДНК и состоят из несколько тысяч повторяющихся единиц последовательности ТТАГГГ. Эти последовательности с высоким содержанием гуанина стабилизируют концы хромосом, формируя очень необычные структуры, называемые G- квадруплексами и состоящие из четырёх, а не двух взаимодействующих оснований. Четыре пуриновых основания, все атомы которых находятся в одной плоскости, образуют пластинку, стабилизированную водородными связями между основаниями и хелатированием в центре неё иона металла (чаще всего калия). Эти пластинки располагаются стопкой друг над другом. Теломеры защищают концы ДНК от деградации экзонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации. С каждым делением клетки укорачиваются на 200 п.н.

14 Общая длина 186 тыс. п.н., экзоны – 9 тыс. Общая длина 42,8 тыс. п.н., экзоны –1,3 тыс. Общая длина 1,67 тыс. п.н., экзоны – 990 Общая длина 400 п.н., интронов нет Гистоновый Глобиновый HGPRT Factor VIII Экзон-интронная структура (мозаичность) генов Число интронов: от 0 (в генах гистонов) до 233 (в гене мышечного белка титина). Длина интрона достигает тысяч п.н., максимальная доля интронов в гене миодистрофина – 99,4%; его зрелая РНК – 14 тыс.н., а первичный транскрипт – 2,5 млн н. Открытие мозаичной структуры генов эукариот – Р.Робертс и Ф.Шарп, 1977 г. Нобелевская премия в 1993 г.

15 В 1978 г. Филипп Шарп открыл явление сплайсинга РНК (от англ. to splace – сшивать без узлов); Нобелевская премия 1994 г. enaukiozhizni/splmofimarn6b.html

16 94% структурных генов человека кодируют не по одному, а по несколько разных полипептидов. В нашем геноме всего около генов – примерно столько же, сколько у круглого червя Caenorhabditis elegans (19000), который устроен гораздо проще, чем человек. Разнообразие белков у млекопитающих повысилось не за счет роста числа генов, а за счет развития альтернативного сплайсинга и роста числа лизоформ – они разные в разных тканях. У C.еlegans лишь около 15% генов подвергаются альтернативному сплайсингу. Альтернативный сплайсинг

17 Пример альтернативного сплайсинга в разных тканях Во всех клетках есть кальцитониновый ген, но в клетках щитовидной железы он экспрессируется в виде гормона кальцитонина, а в клетках гипофиза – нейропептида CGRP (пептида, имеющего отношение к гену кальцитонина). Ген один, а белки получаются разные в результате сплайсинга мРНК и процессинга полипептидов. В клетках других тканей этот ген не экспрессируется.

18 У человека есть ген slo. Он «работает» во внутреннем ухе, в частности, этот белок присутствует в ворсинках, которые отвечают за распознавание высоты звука. Он состоит из 35 экзонов (на рисунке – прямоугольники), 8 из которых (синие) могут или присутствовать, или отсутствовать в зрелой мРНК. Возможны 8! = вариантов сплайсинга, но только около 500 из них обнаружены.

19 Транссплайсинг Известны случаи, когда происходит сшивание транскриптов с экзонов из разных про-мРНК, транскрибированных с разных генов. Пример: в эритроцитах человека белок глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа состоит из двух фрагментов. 479 С-концевых аминокислотных остатков белка закодированы в гене в Х-хромосоме, а 53 N-концевых остатка происходят от гена GMP-редуктазы в хромосоме 6. Очевидно, что концепция гена как локуса в хромосоме к таким случаям не относится. Х-хромосома 6-я хромосома Зрелая иРНК Транссплайсинг глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа

20 Тканеспецифичный процессинг 28S про-рРНК у млекопитающих В составе предшественника 28S рРНК находится транскрипт с интрона, который удаляется при процессинге. Мозаичную структуру у эукариот могут иметь не только структурные гены, но и гены нетранслируемых РНК

21 У всех организмов (от бактерий до человека) с гена тРНК транскрибируется незрелый продукт – пре- тРНК. Для перевода этой молекулы в рабочее состояние требуется провести ее процессинг. У эукариот ядерные предшественники многих тРНК содержат интрон. Сразу за антикодоном (от 5'- конца тРНК) следует нуклеотид, вслед за которым начинается транскрипт с интрона длиной 14–16 нуклеотидов. Созревание тРНК требует сплайсинга для его удаления. Процессинг тРНК Модификации нуклеотидов в петлях путем дезаминирования, метилирования, восстановления; образование псевдоуридина и дигидроуридина. Формирование антикодоновой петли включает сплайсинг с удалением транскрипта с интрона. Формирование на 3'-конце последовательности ЦЦА. Для этого у одних пре-тРНК с 3'-конца удаляются лишние нуклеотиды до «обнажения» триплета ЦЦА, у других идет присоединение этой последовательности.

22 Разнообразие механизмов редактирования РНК включает в себя модификацию азотистых оснований, например, дезаминирование цитидина (С) в уридин (U) и аденозина (A) в инозин, а также вставки нуклеотидов без ДНК-матрицы. Редактирование РНК в случае мРНК значительно изменяет последовательность кодируемого полипептида. Редактирование РНК начинается со спаривания первичного нередактированного транскрипта с ведущей РНК (guide RNA), которая содержит комплементарные последовательности около сайтов встраивания или удаления. Образующийся двухцепочечный участок далее покрывается эдитосомой, крупным многобелковым комплексом, катализирующим редактирование РНК. Система редактирования РНК участвует в деградации РНК commons/thumb/b/b4/Editosome.PNG /300px-Editosome.PNG Эдитосома иРНК Ведущая РНК Эдитинг

23 ЦАА УАА Стоп-кодон Кодирующая цепь ДНК Транскрипт – про-мРНК Процессинг в печени Редактирование в кишечнике 4563 АК 2152 АК Зрелая мРНК в разных органах Полипептиды АпоВ Тканеспецифичное редактирование мРНК аполипопротеида В у человека Ген АPOB – 29 экзонов, 43 тыс. п.н. мРНК ApoB100, 14 т.н.мРНК ApoB48, 6 т.н. АроВ 100 участвует в транспорте эндогенно синтезированных триглицеридов и холестерола АроВ48 участвует в транспорте жиров, поступающих с пищей и всасывающихся в кишечнике; нет С-концевого домена, который отвечает за связывание с рецептором липопротеидов низкой плотности Ген фермента цитидиндезаминазы, которая дезаминирует Ц в У, экспрессируется только в тонком кишечнике

24 Разные варианты перекрывания генов Открыты у бактериофагов, широко распространены в различных формах среди разных групп организмов. 1. В пределах одного гена обе цепи могут быть кодирующими: регуляторные антисенс-РНК у про- и эукариот. У человека – более 1600 генов. На молекуле иРНК блокируется место посадки рибосом и, соответственно, процесс синтеза белка. Образовавшийся РНК-дуплекс подвергается деградации. Ген HFE, вовлеченный в метаболизм железа, кодирует свою асРНК

25 2. Использование альтернативных промоторов Два варианта легких цепей миозина Если внутренних промоторов несколько, транскрипция может начинаться с любого из них. Для выбора промотора используется определенный режим метилирования ДНК, и этим включается или отключается соответствующий промотор, тогда транскрипция начинается с того, который включен, а не с начала транскрипционной единицы. Ген SRA человека РНК, активирует рецепторы стероидных гормонов РНК белок, экспрессия в раковой опухоли

26 Чаще всего белок-кодирующий ген располагается в интроне другого белок-кодирующего гена. Но встречаются и другие варианты. Малые ядрышковые РНК (мякРНК или small nucleolar, snoRNA) представлены сотнями видов, участвуют в модификации иРНК, рРНК и мяРНК. Как правило, кодирующие их гены находятся внутри интронов структурных генов (пример – ген Н19). Гены, кодирующие малые ядрышковые РНК, не имеют собственных промоторов. 3. Ген внутри гена Третий вариант: в рРНК-кодирующем гене может содержатся белок-кодирующий ген. Например, митохондриальный ген, кодирующий одну из рибосомных РНК, обеспечивает ею рибосомы митохондрий в качестве структурного компонента (т. е. не кодирует белок). Однако небольшой участок, расположенный внутри этого гена, кодирует полипептид гуманин (от англ. human – человек), который участвует в процессе апоптоза. Транскрипт с внутреннего гена Например, активность гена, отвечающего за синтез лактазы у человека, зависит от транскрипта с тринадцатого интрона соседнего гена.

27 А – ПОМК (проопиомеланокортин) состоит из 265 АК (около 30 к Да); Б – после отщепления N-концевого сигнального пептида полипептидная цепь расщепляется на два фрагмента: АКТГ (39 а.к.) и β-липотропин (42–134 а.к.); В, Г, Д – при дальнейшем протеолизе образуются α- и β-МСГ (меланоцитстимулирующий гормон) и эндорфины; КППДГ – кортикотропиноподобный гормон промежуточной доли гипофиза; Процессинг ПОМК в передней и промежуточной долях гипофиза протекает по-разному, с образованием разного набора пептидов. Структурные гены могут кодировать полипротеины – после трансляции продукт нарезается на несколько функционально активных полипептидов – так появляются гормоны и нейрогормоны гипофиза. Процессинг ПОМК Основное место синтеза ПОМК – передняя доля гипофиза (3% клеток ведут синтез) и промежуточная доля гипофиза (более 90% клеток). _severin_2011/13_files/mb4.jpeg

28 Мобильные генетические элементы (МГЭ, англ. Mobile genetic elements, MGE) – последовательности ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Важнейший фактор нестабильности и пластичности генома. МГЭ (прыгающие гены). У человека до 45% генома

29 Экзогенный ретровирус РНК-содержащий, кодирует в т.ч. ревертазу и интегразу. Провирус встраивается в т.ч. в ДНК гамет, может экспрессироваться. Эндогенный ретровирус экспрессируется, часть белков оболочки еще кодирует, но в результате деградации теряет инфекционность и перестает наращивать число копий (у человека 30 тыс. из разных семейств, около 1% генома). Ретротранспозон автономный длинный ( LINE) – ревертазу еще кодирует, размножается через кДНК (ретропозиция). Около 20% генома. Можно использовать как вектор. Влияет на структуру хроматина, рекомбинацию, репарацию, транскрипцию. Молекулярное «одомашнивание» Ретротранспозон неавтономный короткий ( SINE) – ревертазу уже не кодирует, использует чужую, размножается аналогично – через встраивание кДНК. Длина 80–400 п.н. 2–4 семейства, в каждом от 10 тыс. до 1 млн копий на геном. Транспозон – перемещается по геному (транспозиция) без увеличения числа копий, использует кодируемую им транспозазу.

30 Причины усиления активности МГЭ Стресс Вспышка активности МГЭ Увеличение наследственной изменчивости (аналог мутационной) Ретротранспозон в составе ДНК РНКкДНК Высокая вероятность мутирования (10 –3 – 10 –4 ) Новый ретротранспозон в составе ДНК транскрипция обратная транскрипция инсерция

31 Следствия усиления активности МГЭ МГЭ – важный фактор изменчивости генома. Способны резко активизировать гены на расстоянии до 5 тыс. п.н. от места инсерции (вставки) Ретротранспозоны размножаются и встраиваются в различные участки генома будущих нейронов, особенно активно в гиппокампе и фронтальной коре. В результате клетки мозга монозиготных близнецов, а также одного и того же человека, оказываются генетически разнородными. Вклад в уникальность личности. гены активируютсягены подавляются возникают новые геныгены распространяются

32 Транспозоны были открыты в 1951 г. Барбарой Мак-Клинток, которая в 1983 г. была удостоена за эти исследования Нобелевской премии. Транспозоны могут принимать участие в процессе канцерогенеза. При транспозиции могут захватывать соседние гены частично или полностью и переносить их по геному. Распространяют миРНК, особенно активно у приматов ex.php/t html Внедрение Alu в интрон 18 гена фактора VIII приводит к пропуску экзона 19 в ходе сплайсинга – развивается тяжелая форма гемофилии.

33 Предполагается, что появление у первых эукариот эффективной системы подавления активности транспозонов при помощи пиРНК стало ключевым фактором, направившим эволюцию мобильных элементов в сторону роста разнообразия. Каждая пиРНК инактивирует мобильные элементы со строго определенной последовательностью нуклеотидов. В такой ситуации любое изменение этой последовательности, выводящее транспозон из-под контроля пиРНК, оказывается выгодным транспозону и будет поддерживаться отбором. В системе контроля МГЭ участвуют белки семейства Piwi и особый класс малых РНК (пиРНК), которые нужны для распознавания нуклеотидных последовательностей, характерных для мобильных элементов. Механизмы контроля МГЭ Piwi-белки + пиРНК Активируют метилтрансферазы Метилирование МГЭ подавляет их транскрипцию Напрямую подавляют транскрипцию МГЭ Режут РНК-транскрипт с МГЭ Обрезки РНК обладают активностью пиРНК – каскад с ООС

34 Итак, у эукариот выделяют 5 основных типов организации ядерных генов 1)Структурные гены с мозаичным строением (из интронов и экзонов), процессинг транскрипта – альтернативный сплайсинг. 2) Гены тРНК и 5S рРНК группами (кластерами), их процессинг – нарезание. 3)Гены остальных рРНК – в транскрипционных единицах в ядрышковом организаторе, с них транскрибируется 45S РНК, ее процессинг – разрезание с удалением транскриптов с внутренних спейсеров. 4)Прыгающие гены (МГЭ) – могут кодировать белки, отвечающие за их перемещение, в результате чего меняется активность соседних генов; при перемещении могут захватывать соседние гены, провоцировать хромосомные перестройки. Возможно, происходят от ретровирусов. 5)Псевдогены – не функционируют в результате мутаций. Могут служить материалом для возникновения новых генов.

35 Механизмы возникновения новых генов 1. Комбинирование экзонов из уже существующих генов в процессе филогенеза группы – их новое сочетание, изменение их количества. Например, ген человека hrx возник в результате присоединения к гену trx четырех новых экзонов., так называемая exon shuffling – перетасовка экзонов. Формирование новых генов за счет различного сочетания уже имеющихся экзонов. Изображены четыре разных белка, состоящие из сходных блоков-доменов (обозначены разными символами), которые кодируются разными экзонами. В белках у представителей разных царств комбинации доменов разные, но сами домены похожи, то есть они кодируются сходными участками генома, которые имеют общее происхождение. Эволюция – это нередко именно блоковые, а не точечные изменения генома.

36 Порфирины распространенные пигменты в природе Порфириновое кольцо замечательный пример того, как природа выбирает ключевые строительные блоки для реализации грандиозных и сложных задач. Единый метаболический цикл производства протопорфирина – кольца, из которого получаются другие «кольца жизни», появился на начальной стадии эволюции и одинаков у различных организмов.

37 Тип Хордовые Черепные = позвоночные Бесчерепные п/т Личиночно- хордовые = оболочники Две полногеномные дупликации Прогрессивная эволюция подтипа 2. Дупликации (амплификации) генов и их дивергенция В геноме человека присутствует около полутора тысяч семейств генов. Экспрессируются разные члены одного семейства обычно в разное время или в разных типах клеток. Семейство альфа-глобиновых генов – в 16-й хромосоме Семейство бета-глобиновых генов – в 11-й хромосоме

38 Два вирусных белка, когда-то служившие для построения оболочки вируса, с тех пор (более 43 млн лет) участвуют в работе плаценты у высших приматов, включая человека. Если бывший вирус перестает прыгать по геному, он может приобрести постоянную полезную функцию в клетке Некоторые гены миРНК млекопитающих, включая человека, происходят от мобильных генетических элементов Управляют слиянием клеток в ходе формирования синцитиотрофобласта (разрушают мембрану клеток) Защищают эмбрион от иммунной системы матери Защищают эмбрион от внедрения «диких» ретровирусов – белки «домашних» вирусов занимают место посадки на плазмалемме Синцитиотрофобласт 3. Доместикация МГЭ gistologi/pages/book/HIST_03.doc.htm

39 В В-лимфоцитах представлены только наборы кодирующих сегментов V, D и J, из которых формируются гены тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов. Вариабельные и константные области тяжелых и легких цепей 4. Сплайсинг ДНК htm files/assets/basic-html/page474.html

40 Рекомбинация генов иммунной системы, включающая образование двунитевых разрывов и лигирование нуклеотидных последовательностей в новых комбинациях; ДНК-сплайсинг ведет к перегруппировке фрагментов генов, благодаря таким рекомбинациям создается разнообразие иммуноглобулинов. При вторжении антигена включается механизм перестройки генов иммуноглобулинов: режутся и сшиваются фрагменты генов до тех пор, пока не будет найден приемлемый вариант – он кодирует антитело, способное хотя бы непрочно связаться с вторгшимся антигеном. Найденный вариант гена многократно копируется, при этом включается соматический гипермутагенез – заменяется каждый тысячный нуклеотид, благодаря чему возникает масса чуть отличных антител, чем и достигается точная подгонка антитела к антигену. Конечный вариант гена запоминается иммунной системой организма, то есть наследуется на время жизни особи. articles/ /29187

41 Главный поверхностный белок гонококка пилин меняется за счет контролируемого процесса генной конверсии, т.е. вполне целенаправленной замены одних участков гена другими. В геноме гонококка помимо активного пилинового гена существует множество неполных молчащих копий. Время от времени какой-либо участок активного гена может быть заменен соответствующим фрагментом одной из копий. В результате структура пилина меняется, и рецепторы иммунной системы перестают его узнавать. Гонококки на поверхности лимфоцита (фото с сайта neisseria.org) В системе защиты высокоорганизованного хозяина применяются те же приемы, что и в системе нападения паразита: простейшие тоже используют перегруппировку фрагментов ДНК, но только для более эффективного нападения

42 Паразиты обладают способностью обманывать и истощать иммунную систему теплокровного хозяина Трипаносомы имеют более сотни генов, отвечающих за формирование разных антигенных детерминант на поверхности клетки. У всех трипаносом вначале работает один и тот же ген, и В-лимфоциты хозяина нарабатывают антитела к одной разновидности антигенов; часть трипаносом погибает. В это время у оставшихся начинает работать следующий ген, и пока лимфоциты перестраиваются на образование новых антител – трипаносомы размножаются. Эритроцит, заражённый малярийным плазмодием Малярийный плазмодий синтезирует вещества, которые выходят на поверхность стареющего эритроцита и заставляют его прилипнуть к стенке сосуда, чтобы не попасть в селезенку. За синтез белков, меняющих структуру мембраны, отвечают несколько десятков генов, которые экспрессируются только по отдельности. Переключение активности между ними заставляет В-лимфоциты производить то один тип антител, то другой, и всегда с опозданием.

43 Энхансеры (англ. to enhance – усиливать) – участки ДНК, способные значительно усиливать экспрессию генов той же ДНК. В отличие от промоторов они удалены от транскрипционного участка и могут располагаться от него в любом направлении (к 5'-концу или к 3'-концу). Сами энхансеры не кодируют белки, но способны связываться с регуляторными белками Сайленсеры (англ. silence – молчание) – тоже участки ДНК, но они замедляют транскрипцию генов, связываясь с регуляторными белками Инсуляторы могут помочь, если энхансер или сайленсер находятся далеко от промотора, – инсуляторы сближают их друг с другом. Образование петли при взаимодействии инсуляторов. С инсуляторами связываются белки, которые, эффективно взаимодействуя между собой, формируют достаточно стабильный комплекс. Дополнительные способы регуляции экспрессии генов, характерные для эукариот

44 Активаторы – белки, которые связываются с энхансерами и помогают РНК-полимеразе правильно начать транскрипцию. Репрессоры – белки, которые связывают активаторы, чем снижают или прекращают транскрипцию. Факторы транскрипции – белки, которые ориентируют РНК-полимеразу на начало структурной части гена. TATA box – часть промотора, являющаяся сайтом связывания для белковых факторов. Энхансеры действуют через активаторы Репрессор через сайленсер может подавить работу активаторов Коактиваторы Промотор Факторы транскрипции Для любого гена, кодирующего белок, есть энхансер, который состоит из частей – модулей. Одинаковые модули могут встречаться в разных энхансерах. Для каждого энхансера набор модулей уникален. Модули – это короткие последовательности, не более 2-х витков спирали (20 п.н.), которые могут находиться перед, за и даже внутри гена. Экспрессируются лишь те гены, у которых все энхансерные модули узнаны своими белками

45 За счет эффективного и селективного взаимодействия на больших дистанциях инсуляторы могут регулировать пространственную локализацию хромосом в ядре и, в том числе, поддерживать спаривание гомологичных хромосом в соматических клетках. На стадии зиготены синтезируется небольшое (0,3% от всей ДНК клетки) количество уникальных последовательностей ДНК, которая получила название zДНК. Эта ДНК распределена по всей длине хромосом. При обычном митотическом цикле она синтезируется одновременно с основной массой ДНК, но при мейозе – только в зиготенной стадии. Если на стадии зиготены подавить с помощью ингибиторов этот небольшой дополнительный синтез ДНК, то конъюгация хромосом прекратится. Специфические по своему строению участки zДНК на гомологичных хромосомах еще на G2-стадии интерфазы перед мейозом «узнают» друг друга и на некоторое время образуют стабильные связи, необходимые для закрепления хромосом одна вдоль другой. Позднее эта связь осуществляется уже с помощью синаптонемного комплекса (СК). В состав ДНК СК входят уникальные и умеренно повторяющиеся последовательности, менее 5% геномной ДНК. Белковый состав СК сложен, он состоит более чем из 10 мажорных белков с мол. массами от 26 к Да до 190 к Да.

46 Регуляция экспрессии генов эукариот идет на многих уровнях o изменение плотности укладки хроматина – плотный не транскрибируется; o изменение схемы метилирования ДНК – в результате меняется активность генов; o блокирование промоторов (в том числе по цепочке: гормон – цАМФ – белок-регулятор), использование альтернативных промоторов; o подавление экспрессии гена за счет синтеза антисенс-РНК на кодирующей цепи ДНК – двухцепочечная РНК-дуплекс транслироваться не будет; o альтернативный сплайсинг и модификация концов иРНК (кэп на 5`-конце, поли-А на 3`), их задержка или ускорение; o использование транссплайсинга – в процессе сплайсинга соединяются транскрипты с разных структурных генов; o редактирование РНК – модификация нуклеотидов: превращение Ц в У или А в аналог гуанина – инозин, вставки нуклеотидов без ДНК-матрицы; o уже после трансляции полипептид можно не активировать, можно отложить сплайсинг белка: вырезание из белка-предшественника интеинов и соединение экстеинов; o количество полипептидов, транслированных с одной иРНК, напрямую зависит от длины поли-А, а ее можно менять.

47 РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНА Хроматин Доступ к промотору гена Укладка РНК-предшественник иРНК -1 иРНК - n………….Регуляторные РНК (риборегуляторы) и белки Полипептиды разные Белки разные Признаки разные Транскрипция Процессинг Трансляция Фолдинг, модификация Белки работают Метилирование и другие модификации иРНК, рРНК,… Метилирование и другие модификации ДНК

48 ген белок ген Альтернативный сплайсинг ген белок РНК - регуляторы ген Трансляция в полипротеин Транскрипты с интронов или альтернативног о промотора ген белок Антисмысловая РНК Транскрипт с кодирующей ДНК ген тРНК или рРНК или мяРНК … белок ген белок ген Транс- сплайсинг

49 X- и Y-хромосомы произошли от пары идентичных хромосом, когда примерно 160 млн лет назад у древних млекопитающих возник ген, один из аллелей которого приводил к развитию мужского организма. Хромосомы, несущие этот аллель, стали Y- хромосомами, а вторая хромосома в этой паре стала X-хромосомой (у утконоса 5 пар половых хромосом). Таким образом, X- и Y-хромосомы плацентарных изначально отличались лишь одним геном. C течением времени, гены, полезные для самцов и вредные (либо не имеющие никакого эффекта) для самок, либо развивались в Y-хромосоме, либо перемещались в Y- хромосому из аутосом в процессе транслокации. Постепенно рекомбинация между половыми хромосомами сошла на нет, те участки на Y-хромосоме, которые оказались повреждены или бесполезны, исчезли. Риск появления мутаций в Y-хромосоме в сперматозоидах в 4,8 раз больше, т.к. много делений при сперматогенезе и активные оксиданты в семенниках.

50 Псевдоаутосомный участок, 5% длины Псевдоаутосомный участок Участок, кодирующий голандрические признаки – характерны только для мужчин; известны 156 единиц транскрипции, из них 18 уникальных и 9 многокопийных структурных генов. Участок, кодирующий признаки, сцепленные с Х-хромосомой. Мужчины по этим генам гемизиготны. Всего более 1100 генов (1438?) Ген SRY (sex region of Y-chromosome) определяет в эмбриогенезе развитие семенников, в них и экспрессируется Для детерминации мужского фенотипа нужна также активность другого гена Sox- семейства – SOX9, локализованного на аутосоме (17-я хромосома у человека). На X-хромосоме выявлен ген DAX1, участвующий в формировании женского пола, и ген Xist, который отвечает за инактивацию одной из Х-хромосом app/items/info/3746

51 Цитоплазматическая наследственность эукариот. Митохондрии У большинства позвоночных геном митохондрий содержит 37 генов: 13 для белков дыхательной цепи, 22 для тРНК и 2 для рРНК (для большой субъединицы рибосом 16S рРНК и для малой 12S рРНК). Рибосомы у митохондрий 55S Длина мтДНК у позвоночных около 16–17 тыс. п.н., у человека

52 Организмы разных царств эукариот оставили митохондриям разное количество генов: наибольшее (97) у жгутикового простейшего Rectinomonas americana, наименьшее у малярийного плазмодия – 5 (2 гена рРНК и 3 структурных). У растений и простейших в митохондриальном геноме закодированы не только белки для окислительного фосфорилирования, но и некоторые рибосомные белки, поэтому наибольшие размеры митохондриальных геномов именно у растений: 200–400 тыс. п.н., меньше у низших эукариот – от 40 до 100 тыс. п.н., минимальное у животных – 15–20 тыс. п.н. Некоторые субъединичные ферменты дыхательной цепи митохондрий состоят из разных полипептидов, часть которых кодируется ядерным, а часть – митохондриальным геномом. Пример – цитохромоксидаза Цитохромоксидаза бактерий из 3 субъединиц, кодируется 3 генами Цитохромоксидаза митохондрий включает до 13 субъединиц, 3 из них кодируется 3 ее генами До 10 ядерных генов кодируют разные субъединицы цитохромоксидазы митохондрий Размер митохондриального генома

53 ДНК митохондрий обычно кольцевая, но у растений часть может быть линейной, а у некоторых простейших (инфузории) – только линейные ДНК. В каждой митохондрии обычно содержится несколько копий ее генома – обычно 2–10. Митохондриальный геном растений, как правило, состоит из нескольких молекул разного размера с разными генами. Особенности митохондриального генома В отличие от позвоночных, у которых практически вся ДНК митохондрий кодирует, и гены даже могут перекрываться на 1 нуклеотид, у растений, грибов и простейших мтДНК содержат до 80% некодирующих последовательностей. В генах митохондрий млекопитающих нет интронов, у других организмов они могут быть. Рудиментарные митохондрии (митосомы) некоторых протистов (дизентерийной амёбы, микроспоридий и лямблий) не содержат ДНК. Высокая концентрация активных форм кислорода в митохондриях и слабая система репарации увеличивают частоту мутаций мтДНК по сравнению с ядерной на порядок.

54 мРНК одной из субъединиц цитохром-с-оксидазы Trypanosoma brucei редактируется – вставляется четыре урацила. В результате происходит сдвиг рамки считывания – образуется новая мРНК, служащая матрицей для синтеза дополнительной субъединицы фермента ГУА ГАГ ААЦ ЦУГ ГУА ГУА ГАУ УГУ АУА ЦЦУ вал глу асн лей вал вал асп цис илей про Нередактированная РНК (паразит в теле млекопитающего) – низкая активность фермента – трипаносоме достаточно АТФ от гликолиза Редактированная РНК (паразит в теле мухи) – кодирует дополнительную субъединицу фермента – ведет окислительное фосфорилирование – много АТФ Редактирование РНК митохондрий Когда РНК может редактироваться, строение белка зависит не только от последовательности нуклеотидов ДНК соответствующего гена, но и от других, в том числе внешних факторов, например, гомойотермности хозяина паразита. Редактирование РНК широко распространено в хлоропластах и митохондриях высших растений.

55 Захватив гены промитохондрий, ядро получило возможность надежно контролировать функции симбионта. В ядре кодируются все белки наружной мембраны и ферменты для синтеза ее липидов, большинство белков матрикса и внутренней мембраны органелл. Самое главное, что ядро кодирует ферменты репликации, транскрипции и трансляции мтДНК, контролируя тем самым рост и размножение митохондрий. Все мтДНК не метилируются, т.е. внутри митохондрий утрачена способность подавлять активность генов (у прокариот и в ядре эукариот она широко используется). Гены в митохондриях Гены в ядре Перенос ДНК На те митохондриальные гены, которые переселились в ядерный геном, распространяются все те преимущества, которые дает рекомбинация и половое размножение. Изменения смысла кодонов значительно затрудняют дальнейший перенос генов в ядро – митохондрии не допускают полной потери автономности. Этапы переноса генов: копия митохондриального гена встраивается в ядерную хромосому. Затем происходит перенос в ядро регуляторной области гена и сигнального фрагмента митохондриальной локализации того продукта, который перенесенный ген кодирует. После этого исходный ген, локализованный в мтДНК, может быть отключен или удален.

56 Пластидный геном Пластиды могут быть результатом первичного эндосимбиоза (у зеленых, харовых, красных и глаукофитовых водорослей, высших растений) либо результатом вторичного эндосимбиоза, в том числе в составе нуклеоморфо-пластидного комплекса Rhizaria Chromalveolatae

57 Особенности пластидного генома высших растений ДНК пластид кольцевая, полиплоидность выражена – от 10 до 60 копий. Размер плДНК – 120–290 тыс. п.н., содержит 100–120 генов, причем их набор близок для разных видов. плДНК кодирует все тРНК (30 генов) и рибосомные РНК, часть рибосомных белков пластид, часть белковых комплексов мембран (I и II фотосистемы хлоропластов, АТФазный комплекс). Основной фермент хлоропластов рибулозобифосфаткарбоксилаза состоит из двух субъединиц, одна из которых кодируется в ядре, другая – в плДНК. Многие пластидные гены организованы в виде оперонов. Ряд генов имеют мозаичную структуру. Во время мейоза пластиды проникают в цитоплазму мегаспоры, а затем и в яйцеклетку женского гаметофита, а в клетках пыльцы большинства видов растений они практически отсутствуют.

58 У криптофитов внешняя мембрана симбионта сливается в одно целое с наружной ядерной мембраной. Рибосомы, расположенные на ней, синтезируют закодированные в ядерном геноме белки, предназначенные для транспортировки в симбионт. У организмов со вторичным эндосимбиозом тесно связаны 4 генома: ядерный, нуклеоморфа, митохондрий и пластиды

59 Большинство генов симбионта, переселившихся в ядерный геном, обслуживают не симбионта, а хозяина, и лишь небольшая их часть кодирует белки, предназначенные для транспортировки в цитоплазму симбионта или нуклеоморф. Остальные ядерные гены, обслуживающие симбионта, это «хозяйские» по своему происхождению гены, а не водорослевые. Многие гены хозяина подверглись дупликации, после чего одна из копий гена сохранила старую функцию, а другая взяла на себя заботу о симбионте.

60 1. Автономизация генов: исчезновение оперонов создает благоприятные условия для более тонкой регуляции функции отдельных генов и открывает новые пути эволюции генома за счет хромосомных перестроек и транспозиций генов у эукариот. 2. Переход к мозаичной структуре генов и альтернативному сплайсингу способствует эволюционной перетасовке экзонов, кодирующих разные домены полипептидных цепей. Полезные варианты альтернативного сплайсинга появляются и закрепляются чаще, чем полезные точечные мутации. 3. Олигомеризация генов приводит к распространению генов- кластеров, часть из которых дивергирует, увеличивая генетическое разнообразие. 4. Увеличение доли совмещенных геномов в результате горизонтального переноса, вторичного эндосимбиоза, размножения и рекомбинации различных МГЭ. 5. Усиление роли регуляторных РНК, развитие эффективных и многоступенчатых систем регуляции работы генов. Основные тенденции в эволюции генома

61 Агол В.И. Разнообразие вирусов.//Соросовский образовательный журнал С. 11–16. Дымшиц Г.М. Сюрпризы митохондриального генома. //Природа Марков A.В., Анисимов В.А., Коротаев А.В. Взаимосвязь размера генома и сложности организма в эволюционном ряду от прокариот к млекопитающим. //Палеонтологический журнал С. 3–14. Марков Даниил. Мобильные генетические элементы – один из факторов, делающих нас людьми. Морозова О.В. Загадки архей и их фагов. Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Новосибирск.//Вестник ВОГиС Т Тарантул В.З. Геном человека. – М., Теория гена. ffm.taba.ru Alexei A. Aravin, Ravi Sachidanandam, Angelique Girard, Katalin Fejes-Toth, Gregory J. Hannon. Developmentally Regulated piRNA Clusters Implicate MILI in Transposon Control // Science V P. 744–747. Anders L Kjeldbjerg, Palle Villesen, Lars Aagaard, Finn Skou Pedersen. Gene conversion and purifying selection of a placenta-specific ERV-V envelope gene during simian evolution // BMC Evolutionary Biology V. 8. P Brennicke A, Marchfelder A, Binder S. RNA editing. FEMS Microbiol Rev Jun;23(3): Review. Bruce A. Curtis, Goro Tanifuji, Fabien Burki et al. Algal genomes reveal evolutionary mosaicism and the fate of nucleomorphs // Nature. V P. 59–65. Gustavo J. Melen, C.Gustavo Pesce, María Susana Rossi and Alberto R. Kornblihtt. Novel processing in a mammalian nuclear 28S pre-rRNA: tissue-specific elimination of an 'intron' bearing a hidden break site. //The EMBO Journal (1999), 18, Maciej Szymański, Jan Barciszewski. Beyond the proteome: non-coding regulatory RNAs //Genome Biology (5): reviews Nicole G. Coufa et al. L1 retrotransposition in human neural progenitor cells // Nature V P. 1127–1131. Pons М. W. Рибонуклеиновые кислоты вирусов гриппа. htm Shyam Unniraman, David G. Schatz. Strand-Biased Spreading of Mutations During Somatic Hypermutation // Science V P. 1227–1230. Литература

62 html htm html