Материал: Kurs_Lektsiy_po_Biologii (1)

Полимерия. Полимерия - это явление, когда один и тот же признак определяется несколькими доминантными неаллельными генами. Такие гены получили название полимерных. Поскольку они влияют на один и тот же признак, их обозначают одной латинской буквой с указанием индекса для разных генов: A₁; A₂; A₃ и т.д.

Полимерия - это явление полигенной наследственности. При этом два или более доминантных гена контролируют содружественно развитие одного признака. Чем больше доминантных полимерных генов в генотипе, тем сильнее проявляется признак. Полимерному наследованию подчинена передача по поколениям количественных признаков, поскольку при взаимодействии полимерных генов происходит суммирование влияния их на развитие признака. К количественным признакам относятся: масса тела, рост, возможно умственные способности, цвет кожи.

По полимерному типу у людей наследуется интенсивность окраски кожных покровов, зависящая от количества синтезируемого пигмента меланина в клетках кожи. Генетический контроль количества образуемого пигмента осуществляется независимо четырьмя полимерными генами. Синтез пигмента предопределен доминантными аллелями: P₁, P₂, P₃, P₄. Наличие в генотипе человека восьми доминантных аллелей (P₁P₁P₂P₂P₃P₃P₄P₄) обуславливает максимальную пигментацию кожных покровов, отличающую африканских негров. Гомозиготность по рецессивным аллелям четырех генов (p₁p₁p₂p₂p₃p₃p₄p₄) характеризуется минимальным уровнем пигментации, отличающим представителей европеоидной расы. При браке африканцев с европеоидами рождаются мулаты, которые будут тетрагетерозиготами (P₁p₁P₂p₂P₃p₃P₄p₄) по полигенам синтеза пигмента. По количеству образующегося пигмента они будут занимать промежуточное (среднее) положение по сравнению с родителями. При браках муллатов между собой, благодаря независимому комбинированию аллелей четырех полимерных генов, количество доминантных аллелей в генотипе детей может колебаться от 0 до 8. Следовательно дети могут рождаться от таких браков от максимально светлой до максимально темной пигментации кожи (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость пигментации кожных покровов у человека от числа в генотипе доминантных аллелей

Количественная и качественная специфика проявления генов в признак

Проявление действия того или иного гена имеет свои характерные особенности. Один и тот же аллель у разных организмов может проявлять свой эффект различным образом. Это обусловлено состоянием генотипа в целом и условиями среды, в которых он существует. Фенотипическое проявление гена может варьировать по степени выраженности признака. Степень выраженности признака у разных особей, которые являются носителем соответствующего гена, получило название экспрессивность. Большинство организмов, носителей определенного аллеля, имеют среднюю степень развития признака.

Один и тот же признак может проявляться у одних организмов и отсутствует у других, имеющих тот же ген. Это явление было названо пенетрантностью. Таким образом, пенетрантность - это количественный показатель фенотипического проявления гена (степень проявления гена). Пенетрантность измеряется по проценту особей в популяции, у которых проявляется в признаке данный аллель. При полной пенетрантности (100%) ген проявляет свое действие у каждой особи, которая им обладает. При неполной пенетрантности (ниже 100%) ген проявляет свой фенотипический эффект не у всех особей. Многие гены имеют полную пенетрантность. Например, в опытах Г. Менделя все горошины, несущие доминантный аллель (определяющий желтую окраску как в гомозиготном, так и гетерозиготном состоянии), были желтыми, а все горошины гомозиготные по аллелю, определяющему зеленую окраску - зелеными.

Примером неполной пенетрантности может служить проявление доминантного гена, вызывающего хорею Гентингтона у человека. Это заболевание приводит к дегенеративным изменениям нервной системы. Люди, несущие этот доминантный ген, заболевают в различном возрасте, а у некоторых носителей он так и не проявляется. Они умирают от старости или других причин, не заболев хореей Гентингтона.

Причинами, вследствие которых ген проявляется у одних особей и не проявляется у других, а так же имеет варьирующую экспрессивность, могут быть особенности генотипов особей, влияние на эти гены других генов, различная реакция генотипа на факторы среды.

В этом и предыдущих разделах мы рассматривали, главным образом, взаимодействия между генами, влияющими на один признак. Но поле действия гена может быть гораздо шире, чем определение какого-то конкретного признака. Один ген может оказывать влияние на развитие нескольких признаков, проявлять множественное действие. Это явление получило название плейотропия. Например, Г. Мендель отмечал, что один из изучаемых им генов воздействовал одновременно на окраску цветов (белая или красная), окраску семян (серая или коричневая) и окраску пазух листьев (наличие или отсутствие пятен). У дрозофилы, гомозиготные по аллелю vestigial (ag) особи, имеют зачаточные крылья. Это основное фенотипическое проявления данного гена. Однако такие мухи отличаются от мух дикого типа и по многим другим признакам: у них изменены жужжальца, несколько изменены репродуктивные органы, снижена плодовитость и продолжительность жизни и т.д. Примером плейотропного гена у человека служит доминантный ген, определяющий синдром Марфана. У взрослых людей с синдромом Марфана отмечается высокий рост, за счет удлиненных конечностей с длинными тонкими (паукообразными) пальцами, врожденный подвывих хрусталика глаза, нередко врожденные пороки сердца.

Поскольку на уровне первичного действия гена каждый структурный ген имеет единственную функцию - кодирование одного полипептида, плейотропный эффект является, очевидно, отражением интегрированности процессов развития, в которых продукт одного биохимического пути может в конечном итоге оказывать влияние на множество путей развития.

Итак, проявление генов в признаки определяется, как правило, всем генотипом и каждый ген может действовать на развитие многих признаков. С этими механизмами связано явление генокопии. Сущность генокопии заключается в том, что ряд сходных по внешнему проявлению признаков, в том числе патологических, может вызываться различными неаллельными генами.

Таким образом, в этой лекции была представлена довольно сложная картина взаимодействия генов генотипа в детерминации признаков организма. Все это определяет развитие соответствующего фенотипа. Однако надо иметь ввиду, что в фенотипе никогда не реализуются все генетические возможности, фенотип каждого организма лишь частичный случай проявления его генотипа в конкретных условиях развития. Доказательством этого служит тот факт, что особи со сходным генотипом, например, однояйцевые близнецы, в разных условиях развития могут сильно различаться во взрослом состоянии. В формировании фенотипа конкретного человека играют большое значение и социальные условия, в которых он формируется. Одним словом, в формировании фенотипа заложен полифакториальный принцип. Сущность этого принципа в диалектическом единстве генетических и средовых факторов, определяющих фенотипические признаки.

Лекция 8

Молекулярные основы наследственности. Кодирование генетической информации в клетке. Реализация биологической информации. Транскрипция. Процессинг первичных транскриптов.

В первой главе была представлена макромолекулярная организация ДНК. Было показано, что ДНК является носителем наследственной (генетической) информации у всех эукариот и прокариот. Было отмечено, что функциональной единицей генетической информации является ген - последовательность нуклеотидов в ДНК, в которой содержится информация о последовательности аминокислот полипептидной цепи белка, либо о нуклеотидной последовательности какого-либо вида РНК. В этой главе будут рассмотрены следующие вопросы:

1) каким образом закодирована генетическая информация в ДНК (генах);

2) как реализуется генетическая информация, находящаяся в ДНК (генах) в признаки;

3) механизмы регуляции процесса реализации генетической информации.

Кодирование генетической информации

Исходя из основной формулы функции гена: ДНК (ген) → РНК → белок → признак, развитие признака организма связано, как правило, с образованием специфического белка. Специфичность белка определяется его первичной структурой, последовательностью аминокислот в полипептидной цепи белка. Это обеспечивается информацией, заложенной в ДНК (гене) в последовательности нуклеотидов. Принцип записи генетической информации о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка через последовательность нуклеотидов в ДНК или матричной РНК называется генетическим кодом. Генетический код был полностью расшифрован в 60-х годах ХХ столетия. Он имеет определенные свойства:

- генетический код триплетен. Это означает, что положение одной аминокислоты в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов. Если каждой аминокислоте соответствует сочетание из 3-х нуклеотидов, то из четырех нуклеотидов молекулы ДНК можно составить 64 (4³) сочетания. Это более чем достаточно для кодирования 20 аминокислот;

- универсален - все живые организмы ( эукариоты, прокариоты и вирусы) используют один и тот же код. Исключением являются минорные отклонения в генетическом коде митохондрий, хлоропластов, микоплазмы, ресничных простейших;

- вырожден - положение аминокислот кодируется более чем одним триплетом (за исключением метионина и триптофана). Триплеты, которые определяют одну и ту же аминокислоту, называются триплетами-синонимами;

- не перекрывается - один и тот же нуклеотид не может одновременно относится к двум соседним триплетам;

- без запятых - не содержит каких-либо незначащих оснований между отдельными триплетами;

- специфичен - конкретный триплет кодирует только одну аминокислоту.

Обычно генетический код представлен в виде кодонов и(м)РНК. Все кодоны используются в белковом синтезе: 61 кодон кодирует 20 аминокислот; 3 кодона являются терминирующими (стоп-кодоны: УАА, УАГ, УГА). Между последовательностью нуклеотидов в и(м)РНК и кодируемой последовательностью аминокислот в полипептиде существует линейное соответствие (коллинеарность).

Табл. 1. Генетический код: аминокислоты и кодирующие их триплеты (кодоны) в и(м)РНК

Реализация генетической информации

В процессе реализации генетической информации можно выделить четыре основных этапа:

1) транскрипция;

2) процессинг первичных транскриптов;

3) трансляция;

4) посттрансляционные изменения белка.

Транскрипция

Несмотря на то, что информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка закодирована и хранится в ДНК (генах), сама ДНК не может служить матрицей в белковом синтезе. Генетическая информация, закодированная в ДНК (генах), передается на РНК, а последняя, выполняя роль посредника, переносит информацию к месту синтеза белка, где она реализуется в виде определенной последовательности аминокислот в белке. Таким образом, наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотные последовательности белков. Все это описывается центральной догмой молекулярной биологии, сформулированной Ф. Криком:

Стрелки указывают направление переноса генетической информации.

Таким образом, РНК является посредником в передаче наследственной информации. Такую РНК называют информационной или матричной РНК - и(м)РНК. Процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК получил название транскрипция. Другими словами, транскрипция - это синтез РНК на ДНК как на матрице с переписыванием генетической информации.

Синтез белка на матрице информационной РНК получил название - трансляция. Трансляция - это процесс декодирования и(м)РНК, в результате которого информация с языка последовательности нуклеотидов и(м)РНК переводится на язык аминокислотной последовательности белка. Таким образом, генетическая информация реализуется в результате двух последовательных процессов - транскрипции и трансляции. Реализацию генетической информации, закодированной в ДНК, путем транскрипции и трансляции и(м)РНК, определяют как экспрессию гена. Экспрессия имеет место при активном функционировании гена, когда идут процессы транскрипции и трансляции.

Итак, транскрипция - процесс синтеза РНК на полинуклеотидной цепи двойной спирали ДНК. Полинуклеотидная цепь ДНК, которая будет являться матрицей при образовании РНК называется матричной цепью (антисмысловой). Образовавшаяся РНК в процессе транскрипции соответствует по своей нуклеотидной последовательности другой нематричной (смысловой) цепи ДНК, на которой и расположены гены. Для осуществления транскрипции необходимо, кроме ДНК-матрицы, наличие пула нуклеотидов в форме трифосфатнуклеотидов и фермента РНК-полимеразы. В процессе транскрипции участвует также много белков-помощников (транскрипционные факторы).

РНК-полимераза имеет некоторые особенности по сравнению с ДНК-полимеразой. Во-первых, РНК-полимераза сама расплетает ДНК. Во-вторых, РНК-полимеразе не требуется затравка для начала синтеза РНК. В-третьих, у РНК-полимеразы нет корректирующей активности.

Транскрипция - это матричный процесс, в котором выделяют стадии инициации, элонгации и терминации. Начинается транскрипция после присоединения РНК-полимеразы к специфической нуклеотидной последовательности ДНК перед геном - промотору.

В структуре эукариотического промотора гена, транскрибируемого в и(м)РНК, выделяют нуклеотидные последовательности: ТАТА-бокс и последовательность ЦААТ. ТАТА-бокс - это базовая часть промотора, ЦААТ - дополнительная часть промотора. Эти последовательности узнают транскрипционные факторы (специфические белки), связываются с ними и позиционируют РНК-полимеразу в области промотора, что обеспечивает ее связывание с промотором. Особую роль в этом играет базовая часть промотора - ТАТА-бокс. Промотор отмечает в ДНК то место, с которого должен начаться синтез РНК. Именно ТАТА-бокс служит для точной ориентации РНК-полимеразы II при синтезе и(м)РНК относительно первого транскрибируемого нуклеотида. Присоединившись к промотору, РНК-полимераза расплетает участок спирали ДНК, обнажая участок одноцепочечной ДНК, который будет служить матрицей для синтеза РНК, и со стартовой точки начинается синтез. Стартовой точкой называют первое азотистое основание, с которого начинается транскрипция и обозначают ее +1. РНК-полимераза, продвигаясь шаг за шагом вдоль ДНК, раскручивает перед собой спираль ДНК, обнажая всякий раз новый участок матрицы для комплементарного спаривания оснований. Добавляя к растущей цепи РНК по одному нуклеотиду, РНК-полимераза постепенно наращивает эту цепь в направлении 5`→3`. Позади молекулы РНК-полимеразы немедленно восстанавливается двойная спираль ДНК. Все это соответствует стадии элонгации.

Процесс удлинения цепи РНК продолжается до тех пор, пока фермент не встретит на своем пути еще одну специфическую нуклеотидную последовательность в цепи ДНК - сигнал терминации транскрипции (стоп-сигнал). Достигнув этой точки, РНК-полимераза отделяется от матричной ДНК и новой синтезированной цепи РНК. Каждая завершенная цепь РНК отделяется от ДНК-матрицы в виде свободной одноцепочечной молекулы.

При транскрипции ДНК транскрибируется только одна из двух цепей. Образовавшаяся при этом РНК соответствует по своей нуклеотидной последовательности другой, нематричной (смысловой) цепи ДНК (за исключением того, что вместо тимина, присутствующего в ДНК, в РНК стоит урацил). Какая из двух цепей ДНК будет транскрибироваться определяется промотором. Поскольку цепи РНК растут лишь в направлении 5`→3`, именно от промотора зависит выбор цепи ДНК для транскрипции, поэтому разные гены могут считываться с противоположных цепей. Даже у двух соседних генов нередко транкрибируются разные цепи ДНК. Вместе с тем, в каждом данном гене транскрибируется лишь одна цепь.

Последовательность ДНК, транскрибируемая в одну молекулу РНК, получила название транскриптон (транскрипционная единица). У эукариот транскриптон включает как собственно информативную часть, так и последовательности, необходимые для инициации, элонгации, терминации и регулирования образования РНК.

Транскрипция - это процесс синтеза и(м)РНК, рРНК, тРНК и разных малых РНК. У прокариот все виды РНК синтезируются одним - единственным ферментом этого типа. У эукариот для транскрипции используется 3 разных фермента: РНК-полимераза I, II и III. Но только одна из трех, а именно РНК-полимераза II, транскрибирует гены, которые будут транслироваться в белки, то есть синтезирует и(м)РНК. Отдельные РНК-полимеразы эукариот узнают в последовательности ДНК различные сигнальные участки, «свои» промоторы, инициирующие синтез РНК, чем объясняется транскрибирование ими разных генов и синтез разных видов РНК. РНК-полимераза II, кроме синтеза и(м)РНК, синтезирует малые ядерные (мя)РНК, микро(мк)РНК, малые интерферирующие (ми)РНК и другие малые РНК. РНК-полимераза I синтезирует рРНК (5,8SрРНК, 18SрРНК, 28SрРНК). РНК-полимераза III синтезирует все тРНК, 5SрРНК, мяРНК и другие малые РНК.

Молекула РНК, образующаяся в результате транскрипции участка ДНК, называется транскрипт. Совокупность всех транскриптов, синтезируемых одной клеткой, включая кодирующие и(мРНК) и не кодирующие РНК, получила название транскриптом.

На приведенном выше описании транскрипции не заканчивается образование и(м)РНК у эукариот. Эукариотические транскрипты часто содержат длинные вставки некодирующих последовательностей (интроны), поэтому, образующаяся в результате транскрипции РНК превышает размеры информативной части гена. В результате транскрипции образуются первичные транскрипты - предшественники и(м)РНК (пре-и(м)РНК) или незрелые и(м)РНК.

Такие пре-и(м)РНК не могут выполнять свои функции. Процесс формирования зрелых молекул и(м)РНК из первичных транскриптов получил название процессинг первичных транскриптов. Процессинг пре-и(м)РНК – это совокупность биохимических реакций в результате которых происходит модификация пре-и(м)РНК с образованием зрелых молекул и(м)РНК: структурная (уменьшается молекулярная масса) и химическая.

Процессинг пре-и(м)РНК можно рассматривать как компонент центральной догмы молекулярной биологии: