Организация генома прокариот и эукариот

Трансляция

Активация аминокислот Образование (аминоацил- т РНК) Инициации Рибосома имеет 2 центра: пептидильный (П) и аминоацильный (А) Инициирующий кодон – АУГ (AUG) Элонгация – удлинение пептидной цепи Связывание А-А-т-РНК с кодоном и-РНК в А-центре рибосомы Образование пептидной связи Перемещение рибосомы на один триплет Терминация - окончание синтеза белка. Стоп-кодоны (УАГ,УАА,УГА)

Схема синтеза белка

Организация генома прокариот и эукариот

Генетический аппарат клетки

Плазмон- генетический материал цитоплазмы. Функциональная единица- плазмоген.

Геном- генетический материал ядра в гаплоидном наборе хромосом. Геном – суммарная длина ДНК в гаплоидном наборе хромосом. Термин «геном» - Г. Винклер Функциональная единица- ген.

Размеры генома

Мелких ДНК-содержащих вирусов 0,4-1 мкм (1200-3000 п.н.) Геном пластид и митохондрий – 5-100 мкм (15000-300000 п.н.). Бактерий – 1000-2000 мкм (3-6 млн. п.н.) E.coli – 1200 мкн (1,2 мм) Saccharomyces cerevisiae – 13390 т.п.н Геном млекопитающих – 3?109 п.н. Геном человека – 1990 создана Международная организация по изучению генома человека. 3,2 млрд. п.н;

Геномика - направление в молекулярной биологии, занимающееся

исследованием структуры и функций всей совокупности генов организма или значительной их части. (Г.В.Васильев, Новосибирск, 2014) «1000 геномов» 2008-2012 г. « 1000 Российских геномов» 2014 г. Протеомика – наука, изучающая белковый состав биологических объектов, а также модификации и структурно-функциональные свойства белковых молекул. (А.И.Арчаков, 2000)

Геном прокариот

Объем генома E.coli – 1200 мкн (1,2 мм) Информативная емкость генома – 2000-4000 генов Нет дуплицирующихся генов Классы генов по генопродуктам: Структурные – кодируют белки Регуляторные – кодируют белки-репрессоры Гены т-РНК – кодируют молекулы т-РНК Гены р-РНК – кодируют молекулы р-РНК

Геном эукариот

1. ? длина молекулы ДНК человека -187 см 2. Классы генов по генопродуктам: Структурные – кодируют белки Регуляторные – кодируют белки-репрессоры Гены т-РНК – кодируют молекулы т-РНК Гены р-РНК – кодируют молекулы р-РНК Гены гистоновые – кодируют гистоновые белки 3. Информативная емкость генома – 27 тысяч генов (у человека) 4. Избыточность ДНК в геноме – наличие дуплицирующихся генов

По числу повторов: Уникальные – до 10 повторов на геном (структурные

гены) Умеренно повторяющиеся -102 - 105 на геном (регуляторные, гистоновые, гены т-РНК, гены р-РНК) Многократно повторяющиеся – более 105 на геном. В организации генома эукариот заложен принцип чередования уникальных и повторяющихся последовательностей (интерсперсия)

Гены эукариот

Ядерные

Митохондриальные

РНК-кодирующие

Белок- кодирующие

Гены т – РНК Р - РНК

Гены мя – РНК микро-РНК

Гены «домашнего хозяйства»

Гены терминальной дифференцировки

Гены транскрипционных факторов

Повторяющаяся ДНК

Тандемные повторы - расположены друг за другом. У дрозофилы – повторяющиеся единицы в 5-7 п.н. (ААТАТ), (ААТАG), (AATATC) и др. Центромерная ДНК (альфоидная) Теломерная ДНК – GGGTTA Рибосомная ДНК Диспергированные повторы – разбросаны по всему геному: LINE и SINE – МГЭ

Палиндромы

Роль мобильных генетических элементов

Вызывают мутации генов Формируют хромосомные перестройки Изменяют активность и функции генов Достраивание хромосом после редупликации (дрозофилы) Используют для трансформации генов, клонировании генов.

ДНК митохондрий

Секвенирована 1981 г. Кольцевая молекула, 16569 п.н. Содержит 37 генов: кодируют 13 белков, 22 молекулы т-РНК, 2 молекулы р- РНК Гены не содержат интронов Признаки наследуются по материнской линии и не являются менделирующими.

Митохондриальная ДНК человека

Особенности митохондриальной ДНК

Чувствительна к активным формам кислорода Имеет высокую скорость мутирования Мутации митохондриальных генов могут быть причиной наследственных заболеваний, процессов старения и развития возрастной патологии. Определение нуклеотидной последовательности мит-ДНК позволяет установить эволюционное родство живых организмов.

РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ У ПРОКАРИОТ и ЭУКАРИОТ

Ф.Жакоб и Ж.Моно 1961: общая теория регуляции генов

Сущность теории сводится к «выключению» или «включению» генов как функционирующих единиц, к возможности или невозможности проявления их способности передавать информацию о структуре белка. У прокариот гены, контролирующие синтез белков-ферментов, катализирующих ход последовательных биохимических реакций, объединяются в структурно-функциональную единицу – оперон.

Виды оперонов

Индуцибельный- регулятором является исходный продукт (субстрат). Субстрат стимулирует реакции своего метаболизма Репрессибельный- регулятором является конечный продукт (корепрессор). Он тормозит реакции, ведущие к его образованию.

Состав индуцибельного оперона

Структурные гены, кодирующие белки-ферменты Промотор – участок молекулы ДНК, к которому присоединяется РНК-полимераза Оператор – участок молекулы ДНК, место связывания с регуляторным белком-репрессором. Индуктор – метаболит, который связывается с белком-репрессором и переводит его в неактивную форму. Синтез белка – репрессора контролируется геном- регулятором. Белок-репрессор обладает сродством и к оператору и к метаболиту.

Лактозный оперон E.coli

Не работает когда в нет лактозы

Днк

Промотор

R-ген

S1

S2

S3

Оператор блокирован

Белок- репрессор активный

РНК-поли мераза

Терминатор

Лактозный оперон E.coli

Работает когда есть лактоза

Днк

Промотор

R-ген

S1

S2

S3

Белок- репрессор неактивный

РНК-поли мераза

Метаболит лактоза

Терминатор

Регуляция экспрессии генов у эукариот

На уровне транскрипции: В основу регуляции положено взаимодействие определенных участков ДНК с белками - транскрипционными факторами (TF). Связываются с промотором, обеспечивая присоединение РНК-полимеразы Энхансеры- усилители транскрипции. Сайленсеры – ослабляют транскрипцию Структура хроматина.

Для прохождения транскрипции необходима деконденсация хроматина на

соответствующем участке ДНК. Происходит освобождение нуклеосомных белков от ДНК. Ремоделирование структуры хроматина. Процесс ремоделирования связан с модификацией гистонов Н3и Н4 (метилирование, ацетилирование, фосфорилирование) под действие ферментов (метилазы, ацетилазы, киназы фосфорилирования). Метилирование ДНК, обычно по цитозину в ЦГ парах, затрудняет транскрипцию.

5. Гормональная регуляция: Стероидные гормоны связываются с

белком-рецептором в клетке, данный комплекс проникает в ядро, связывается с определенными участками ДНК, регулируя транскрипцию. Пептидные гормоны связываются с белками – рецепторами на мембране и передают сигнал внутрь клетки на белки цитоплазмы, в ответ на внутриклеточные изменения в ядро поступает сигнал, регулирующий экспрессию.

На уровне процессинга Точность сплайсинга обеспечивается

взаимодействием белков-сплайсинга и мя-РНК (комплекс сплайосома). Сплайосома связывается с концевыми участками интрона ( 5? -конец интрона почти всегда содержит ГУ, а 3?- конец интрона содержит АГ), что способствует точному вырезанию интронов ферментами рестриктазами.

На уровне трансляции

Редактирование РНК Общий контроль - факторы инициации соединяются с метилированным гуанином на 5-конце м-РНК, в результате происходит соединение с малой субъединицей рибосомы, другой набор белков - FI присоединяется к полиаденилатной последовательности на 3-конце. В этом случае м-РНК является активно транслируемой. Негативная регуляция: синтезируемый полипептид связывается с собственной м-РНК и блокирует дальнейший синтез. Фосфорилирование белков- факторов инициации (eIF) специальным ферментом приводит к нарушению связывания мет-тРНК с малой субъединицей рибосомы и синтез белка блокируется.

Проинсулин

Изменение конформации белков – важнейший способ изменения их биологической активности! Обеспечение правильного фолдинга и рефолдинга принадлежит белкам - шаперонам.

Спасибо за внимание