Тема 6. Молекулярная генетика
Кто ясно мыслит, тот ясно излагает.
А. Шопенгауэр (1788–1860), немецкий философ
Молекулярная генетика изучает молекулярные основы наследственности и изменчивости. Основное положение молекулярной генетики связано с признанием ведущей роли нуклеиновых кислот как хранителей и переносчиков генетической информации (Стен Г., Кэлинджер Р., 1981).
Содержание темы
Структурно-функциональная организация гена (рис. 6.1). Представления о гене, сформированные школой Т. Моргана. Изменения представлений о природе гена. Мозаичная структура гена эукариот. Регуляторная часть генома. Повторяющиеся последовательности. Сателлитная ДНК. Псевдогены.
Генетический код (табл. 6.1). Свойства генетического кода. Квазиуниверсальность кода.
Экспрессия генов (рис. 6.2, 6.3). Матричные генетические процессы. Транскрипция. Этапы транскрипции. Процессинг как промежуточный этап экспрессии. Трансляция; этапы трансляции. Рибосома, ее структура и функции.
Перенос генетической информации в живой системе. Центральная догма молекулярной биологии. Обратная транскрипция. Прионы.
Регуляция экспрессии генов у прокариот. Оперон (рис. 6.4). Регуляция экспрессии генов у эукариот. Возможность регуляции на разных этапах экспрессии. Регуляция на уровне транскрипции как основной способ регуляции экспрессии. Значение ядра в процессах регуляции экспрессии у эукариот.
Основные понятия
Ген – физическая (определенный участок ДНК) и функциональная (кодирует белок или РНК) единица наследственности.
Генетический код – это соответствие определенной последовательности нуклеотидов определенной аминокислоте.
Геномный импринтинг – дифференциальное проявление отцовских и материнских генов в организме.
Диспергированные повторы – повторы, которые разбросаны по геному.
Инсуляторы – короткие последовательности, обеспечивающие относительную независимость функций гена, блокируя взаимодействие между энхансером и промотором.
Интроны – участки гена, не кодирующие структуру полипептида.
Кодон – последовательность из 3-х нуклеотидов, шифрующая определенную аминокислоту.
Колинеарность – соответствие структуры гена (в нуклеотидах) и структуры кодируемого им полипептида (в аминокислотах).
Обратная транскрипция – синтез ДНК на РНК-матрице.
Оперон – система регуляции экпрессии генов бактерий.
Промотор – участок связывания с ДНК факторов транскрипции с образованием комплекса ДНК – РНК-полимераза для запуска синтеза РНК.
Процессинг – формирования функционально активных молекул РНК.
Псевдогены – нефункционирующие последовательности ДНК, структурно сходные с функционирующими генами.
РНК-интерференция – способность коротких двунитевых микро-РНК изменять работу отдельных генов.
Сайленсеры – ослабители транскрипции.
Сателлитная ДНК – ДНК, образованная тандемными повторами.
Спейсеры – межгенные последовательности в молекуле ДНК.
Сплайсинг – процесс вырезания копий интронов и соединение копий экзонов гена на молекуле гя-РНК.
Тандемные повторы – повторы, которые расположены вплотную друг с другом, образуя блоки (кластеры).
Транскрипция – процесс переноса генетической информации с ДНК на РНК.
Трансляция – процесс синтеза полипептидной цепочки на нити матричной РНК.
Экзоны – участки гена, кодирующие структуру полипептида.
Энхансеры – усилители транскрипции.
Рис. 6.1. Структура эукариотического гена:
1 – энхансеры; 2 – сайленсеры; 3 – промотор; 4 – экзоны; 5 – интроны; 6 – участки экзонов, кодирующие нетранслируемые области
Рис. 6.2. Структура гя-РНК:
1–5' – нетранслируемая область; 2–3' – нетранслируемая область; 3 – копии экзонов; 4 – копии интронов
Рис. 6.3. Структура м-РНК: 1 – "кэп"; 2 – поли-А-участок; 3 – копии экзонов
Рис. 6.4. Структура оперона:
I – ген-регулятор; Р – промотор; О – участок оператор; С1, С2, С3… – структурные гены оперона; Т – терминатор
Таблица 6.1. Генетический код
Задание для самостоятельной работы
1. Рождение молекулярной биологии сделало проблему гена центральной проблемой генетики. Проанализируйте проблему гена. Подумайте, почему эта проблема стала проблемой вообще и почему центральной проблемой?
2. Основной порядок переписывания генетической информации в живой природе Ф. Крик назвал центральной догмой молекулярной биологии. Этот порядок стал выражаться формулой:
ДНК → РНК → белок.
Открытие прионов и анализ механизма их наследственности нанесли ощутимый "удар" по центральной догме. Рассмотрите современное состояние генетики прионов. В чем заключается ее уникальность?
Контрольные вопросы
11. В чем заключается значение для молекулярной генетики работ С. Бензера?
12. В чем сущность явления "перекрывающихся генов"?
13. В чем заключаются сущность и эволюционное значение экзонинтронной структуры генов эукариот?
14. Какие участки выделяют в регуляторной части генома эукариот?
15. Какие виды последовательностей ДНК выделяют в геноме эукариот?
16. Что представляет собой сателлитная ДНК?
17. В чем заключается значение для эволюционной биологии открытия псевдогенов?
18. Что такое генетический код? Какую роль он выполняет в природе?
19. Какие характеристики имеет генетический код?
10. Какие процессы в природе относят к матричным? В чем значение этих процессов?
11. Как происходит процесс реализации генетической информации?
12. На чем основано явление колинеарности?
13. Как протекает процесс транскрипции?
14. Почему у эукариот возникает промежуточный этап экспрессии генов – процессинг? Как он протекает?
15. Как выглядит структура рибосом? Какие разновидности рибосом известны в природе?
16. Как протекает процесс трансляции?
17. В чем заключается центральная догма молекулярной биологии?
18. Как протекает процесс обратной транскрипции? В чем значение этого процесса в природе?
19. Какое теоретическое и практическое значение имеет исследование прионов?
20. Как протекает процесс регуляции экспрессии генов у прокариот?
21. Какие выделяют варианты регуляции экспрессии генов у эукариот?
22. Как осуществляется регуляция экспрессии генов эукариот на уровне транскрипции?
23. Что такое геномный импринтинг?
24. Что такое альтернативный сплайсинг?
25. В чем заключается явление РНК-интерференции?
Литература
Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск, 2003.
Корочкин Л. И. Биология индивидуального развития / Л. И. Корочкин. – М., 2002.
Льюин Б. Гены / Б. Льюин. – М., 1987.
Паткин Е. Л. Эпигенетические механизмы распространенных заболеваний человека / Е. Л. Паткин. – СПб., 2008.
Ратнер В. А. Генетика, молекулярная кибернетика / В. А. Ратнер. – Новосибирск, 2002.
Сингер М. Гены и геномы: в 2 т. / Сингер М., Берг П. – М., 1998.
Стент Г., Кэлинджер Р. Молекулярная генетика / Г. Стент, Р. Кэлинджер. – М., 1981.
Тема 7. Генная инженерия
Когда наши потомки увидят пустыню, в которую мы превратили Землю, какое оправдание они найдут для нас?
А. Азимов (1920–1992), американский биохимик, писатель-фантаст
Генная инженерия – это совокупность методов получения генов и переноса генетической информации из одних организмов в другие. В самом общем виде генно-инженерный процесс представляет собой различные операции над рекомбинантыми ДНК, т. е. молекулами, объединяющими ДНК разных видов (Уотсон Дж. [и др.], 1986). Несмотря на разнообразие используемых подходов, в этом процессе мы можем выделить определенную последовательность этапов.