Материал: Генетика как наука

Функциональный и рекомбинационный критерии аллелизма. Ступенчатый аллеломорфизм. Цис- транс-тест на аллелизм. Центровая теория

Ступенчатый аллелизм. В истории изучения структуры гена ведущее место занимал вопрос о природе аллелизма. Сравнивая эффекты аллелей в гетерозиготах, пришли к выводу о том, что ген представляет собой элементарную неделимую структуру, которая при мутациях изменяется целиком, т.е. сложилось впечатление, что ген является единицей функции мутации и рекомбинации (кроссинговер). Это предложение опроверглось при открытии множественного аллелизма. 1929-1930 г. Серебровский и Дубинин использовали серию множественных аллелей, которые контролировали наличие или отсутствие щетинок на различных поверхностях у дрозофил. Каждая линия характеризуется наличием нескольких щетинок. Скрещивая несколько линий в F1, получили гетерозиготных самок. Оказалось, что компаунды (гетерозиготы по разным рецессивным или доминантным аллелям) не имеют щетинок на BC, а на полях AD щетинки имеются. Проводя скрещивание с 13 разными линиями они наблюдали одну и ту же закономерность восстановления признака у компаунда. Авторы выдвинули гипотезу, что ген, представлен как основа и называется базиген (ABCDEFG), и состоит из частей - трансгенов. Обнаружилось, что ген дробим и мутирует не целиком, а по трансгенам. Следовательно, он не является единицей мутации.

• 1. Функциональный критерий (Морган). Основан на том, что при скрещивании двух мутантов в результате изменения различных генов, возникают гибриды первого поколения, имеющие нормальный генотип. Морган применил свой критерий для несцепленных генов.
• 2. Рекомбинационный критерий. Основан на том, что аллельные гены расщепляются (расхождение аллелей в потомстве гетерозигот), неаллельные гены - рекомбинируют. Аллельные гены тоже могут рекомбинировать, поэтому для рекомбинационного критерия требуется исключить аллельные гены. Для использования рекомбинационного критерия необходимо, чтобы один родитель обладал двумя генотипическими изменениями, а второй не имел ни одного.

Е. Льюис предложил так называемый цис-транс-тест на аллелизм. Смысл этого теста сводится к тому, что при скрещивании двух особей, несущих мутации в негомологичных участках хромосомы, возникает зигота с транс-конфигурацией этих мутаций a1/a2. Если мутации комплементарны, т. е. появляется гибрид дикого типа, то мутации относят к разным геном. Если же гибрид оказывается мутантным, то обе мутации относят к одному гену, т. е. считают их аллельными. При скрещивании двух особей, одна из которых несет два генотипических изменения, а другая представляет собой дикий тип, образуется зигота с реконфигурацией мутаций. Гибрид дикого типа возникает и тогда, когда обе мутации затрагивают один ген и когда оказываются мутантными два разных гена. Таким образом, цис-транс-тест сводится фактически к транс-тесту, т.е. к функциональному критерию аллелизма, предложенному еще Морганом.

Центровая теория генов - теория, согласно которой ген состоит из отдельных функциональных участков (центров), которые могут независимо изменяться при мутациях. Другими словами, центровая теория гена -- теория о дробимости гена на части. Центровая теория гена позволяет линейно картировать части гена внутри гена в целом. Открытие центровой теории гена (Дубинин Н. П., 1928) позволило впервые обосновать идею о сложной структуре гена.

Экзон-интронная структура гена. Образование про-мРНК у эукариот. Сплайсинг. Альтернативный сплайсинг. Механизм сплайсинга. Нарушения экзон-интронной структуры гена и наследственные болезни

Открытие явления прерывности гена эукариот способствовало формированию представления о мозаичном строении гена - когда кодирующие последовательности ДНК в пределах того же гена разделяются некодирующими вставками с неинформационной, "молчаливой" ДНК. Кодирующие участки получили название - экзонов, а неинформационный материал - интронов. Первичный РНК-транскрипт, или про-мРНК, синтезированный на транскрипционной единице, в большинстве случаев длиннее, чем последовательность нуклеотидов, соответствующая конечному продукту (полипептиду, тРНК, рРНК). У эукариот первичный транскрипт может быть в 10 раз длиннее, чем мРНК, поступающая для трансляции. Первичный РНК-транскрипт претерпевает изменения в совокупности называемые процессингом.

Сплайсинг -- процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании матричной, или информационной, РНК (мРНК) у эукариот, при этом путём биохимических реакций с участием РНК и белков из мРНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную последовательность участки -- экзоны. Таким образом незрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки.

Механизм сплайсинга - некодирующий белок участок РНК, интрон вырезается с образованием лариата, экзоны сшиваются. Сплайсосомные интроны часто находятся в генах, кодирующих белки. Для сплайсинга необходимо наличие специальных 3'- и 5' -- последовательностей. Сплайсинг катализируется сплайсосомой. Про-мРНК некоторых генов эукариот могут подвергаться альтернативному сплайсингу. При этом интроны в составе про-мРНК вырезаются в разных альтернативных комбинациях, при которых вырезаются и некоторые экзоны.. Биологический смысл альтернативного сплайсинга для многоклеточных эукариот состоит в том, что он, по-видимому, является ключевым механизмом увеличения разнообразия белков, а также позволяет осуществлять сложную систему регуляции экспрессии генов, в том числе тканеспецифической. Нарушения экзон-интронной структуры гена могут вызвать различные наследственные болезни.

Нуклеиновые кислоты. Модель ДНК Уотсона-Крика. Типы РНК в клетке

Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) - биополимеры, осуществляющие хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков. Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой последовательность остатков нуклеотидов. Последние в молекуле нуклеиновых кислот образуют неразветвленные цепи. В зависимости от природы углеводного остатка в нуклеотиде (D-дезоксирибозы или D-рибозы) нуклеиновые кислоты подразделяют на дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) кислоты. В молекуле ДНК гетероциклы, входящие в остаток нуклеотида, представлены двумя пуриновыми основаниями - адeнином (А) и гуанином (G), и двумя пиримидиновыми основаниями - тимином (Т) и цитозином (С); РНК вместо Т содержит урацил (U). Отдельные нуклеотидные остатки связаны между собой в полинуклеотидных цепях 3'-5'-фосфодиэфирными связями. Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в апрельском журнале Nature в 1953 г. Дж.Уотсоном, Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом. Структура ДНК - полимер, структурной единицей которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из азотистого основания пуринового: аденин (А) или гуанин (Г) или пиримидинового: цитозин (Ц) или тимин (Т), углевода дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания - внутри и расположены с интервалом 34 нм. Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360 градусов, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 градусов вокруг спирали относительно следующей пары. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси. В разработке модели ДНК важную роль сыграли наблюдения Чаргаффа о том, что количественные отношения гуанина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина соответствует содержанию тимина.

Существуют три типа РНК, каждый из которых выполняет свою особую роль в синтезе белка.

• 1. Матричная РНК переносит генетический код из ядра в цитоплазму, определяя таким образом синтез разнообразных белков. Представляет собой длинную одноцепочечную молекулу, присутствующую в цитоплазме, содержит до нескольких тысяч нуклеотидов РНК, образующих кодоны, строго комплементарные триплетам ДНК.
• 2. Транспортная РНК переносит активированные аминокислоты к рибосомам для синтеза полипептидных молекул. Каждая специфическая транспортная РНК распознает «свой» кодон матричной РНК, прикрепившейся к рибосоме, и доставляет соответствующую аминокислоту на соответствующую позицию в синтезируемой полипептидной цепи. Цепь транспортной РНК гораздо короче матричной РНК, содержит всего около 80 нуклеотидов и упакована в форме клеверного листа. Код, посредством которого транспортная РНК распознает соответствующий кодон на матричной РНК, также является триплетом и его называют антикодоном.
• 3. Рибосомная РНК в комплексе примерно с 75 разными белками формирует рибосомы -- клеточные органеллы, на которых происходит сборка полипептидных молекул.

Модели удвоения молекулы ДНК. Репликационная вилка. Основные способы репликации кольцевой ДНК (тета-тап репликации, сигма-тип репликации) и линейной ДНК

Репликация -- процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15--20 различных белков, называемый реплисомой. Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» -- в результате репликации образуется одна молекула ДНК, состоящая только из родительских цепей, и одна, состоящая только из дочерних цепей; «дисперсионная» -- все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК. Репликация проходит в три этапа: инициация репликации, элонгация, терминация репликации. Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка -- место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация

Сигма-тип репликации кольцевой ДНК (модель катящегося кольца) - процесс репликации кольцевых молекул ДНК, характерный для многих бактерий и вирусов, а также внутриклеточных органелл (митохондрий и пластид); удлинение синтезируемой цепи ДНК происходит с 5-конца, прикрепляющегося к клеточной мембране, а точка репликации расположена в месте ответвления 5-нити от исходного кольца; по завершении нескольких раундов репликации вокруг исходной ДНК образуется новая молекула ДНК, содержащая несколько копий исходной, соединенных голова к хвосту и способная служить матрицей для синтеза комплементарной цепи ДНК. Репликация тета-типа - двунаправленная полуконсервативная репликация кольцевых молекул ДНК, начинающаяся с образования вздутия, видимого под электронным микроскопом, расширяющегося в двух направлениях; перед окончанием репликации структура напоминает греческую букву тета. Репликация линейных молекул начинается в определенных точках с образования репликационных вздутий. После образования вздутия оно начинает увеличиваться по мере распространения процесса репликации ДНК в обоих направлениях от точки инициации. По ходу процесса соседние вздутия могут сливаться, а когда вздутие достигает конца молекулы, образуется характерная промежуточная Y-образная конфигурация. Когда репликация заканчивается, из одной линейной родительской молекулы образуются две линейные дочерние, каждая из которых, так же как и родительская, представляет собой двойную спираль.