Генный уровень организации наследственной информации
Лекция №2
В 20 веке начался новый этап развития генетики – этап установления роли ДНК как хранителя и переносчика генетической информации.
Генетический код открыл русский математик Георгий Гамов.
Аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. В 1962 году Ниренберг, Маттей, Очоа определили триплеты для всех 20 аминокислот. Способность одного триплета кодировать определенную аминокислоту называют специфичностью.
Крик и Бреннер доказали, что 3 из 64 кодонов являются бессмысленными: УАА, УАГ, УГА. Наличие их свидетельствует о прекращении процесса биосинтеза белка (это стоп-кодоны). Таким образом, они определяют границу между генами, передают сигнал для транскрипции.
Изучение ДНК доказало, что генетический код универсален. Генетический код – это единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеотидов, которые соответствуют последовательности аминокислот в полипептидах. Гены представляют собой полинуклеотидные цепи. Совокупность генов в клетке называется геномом.
До 1996 ученые не могли изучить организм целиком. Геном человека - наиболее яркое достижение науки конца 20 - начала 21 века. Секвенирование - изучение порядка расположения генов.
Расшифровка генома человека - итог работы ученых 1996 – 2003 годов по программе «Геном человека». Джеймс Уотсон был вдохновителем программы, далее руководителем стал Френсис Коллинс. В программе участвовали многие страны, кроме СССР. В апреле 2000 года КрейгВентер сообщил о завершении программы «Геном человека». Секвенирование 1/3 части генома было завершено в 2000 году, а всего генома в 2003 году.
Размер генома составляет около 3 миллионов полинуклеотидных оснований. Ген - единица транскрипции, которая может транскрипцироваться в одну или несколько аминокислотных последовательностей (всего 60-70 тысяч). Идентифицировано 11 тысяч генов, из которых 6 тысяч транскрипцируются на хромосомах. Клонированы и исследуются гены 330 наиболее частых и 170 более редких наследственных болезней. Одновременное секвенирование обрезков ДНК с последующей обработкой данных позволяет расположить участки в правильной последовательности. Наличие фрагментов открывает возможность для картинирования мультифакторных заболеваний (опухоли, сердечно-сосудистые заболевания).
Геномы всех людей (кроме однояйцовых близнецов) различны. Основная задача программы геном – определение последовательности нуклеотидов – выполнена.
В 50 годы 20 века Бидл и Татум определили ген как фрагмент ДНК, ответственный за синтез одного белка. В 1998 году Инге-Вечтомов определил ген как копируемый на хромосомах локус, ответственный за тот или иной фенотипический признак.
В молекулярной биологии ген рассматривается как фрагмент ДНК, соответствующий определенной единице транскрипции.
В программе геном ген – единица транскрипции в одну или несколько последовательностей (Филдс, 1994).
Классификация генов:
1) РНК-кодирующие
a. тРНК
b. регуляторные РНК
2) Протеин-кодирующие
a. Гены домашнего хозяйства (отвечают за метаболизм)
b. Гены терминальной дифференцировки
c. Транскрипционные факторы SRY
3) Митохондриальные гены
РНК-кодирующие гены отвечают за синтез ДНК, обеспечение сплайсинга (вырезание несмысловых участков), синтез рибосом, процессы трансляции, дают информацию для синтеза тРНК, рРНК, яРНК. Эти гены обладают регуляторным действием.
Протеин кодирующие – гены домашнего хозяйства (отвечают за метаболизм, дыхание), гены специальных функций (отвечают за кодирование белков и определения их основной функции (например, гемоглобин в эритроцитах и мышечные белки)).
95% ДНК находится в ядре, 5% - в многочисленных митохондриях (примерно 1000 в клетке). Митохондрии - двумембранные органоиды, отвечающие за дыхание и энергетические процессы, позволяют проследить филогенез материнской клетки.
мРНК - двухцепочная кольцевая молекула, меньше чем яРНК. Особенности белка митохондрий – отсутствие связи с гистонами.
Гены кодируются яРНК (хранитель информации). мяРНК были открыты в 21 веке, они помогают удалять интроны из про-РНК. Экзоны никогда не разобщаются, они соединяются с помощью молекул мяРНК, которая играет роль матрицы, взаимоудерживающей экзоны рядом.
В 1965 году была присуждена нобелевская премия Моно и Жакобу за открытие непостоянного действия генов в ходе эксперимента: кишечную палочку поместили на глюкозу и лактозу (рост заканчивался, когда заканчивалась глюкоза), однако через определенный промежуток времени палочка вновь начинает активно жить. Она питалась глюкозой, когда её съедала, выделялся фермент, который расщеплял лактозу, и кишечная палочка начинала питаться ей. В какой-то период времени гены не работали, включались только, когда кишечная палочка попадала в среду, где отсутствовала глюкоза.
Моно и Жакоб доказали, что гены не всегда работают, включаются, когда организм попадает в неблагоприятные условия. Они разработали структуру оперона (участка ДНК, где имеется группа генов, которые контролируются единым образом): оперон состоит из структурных и регуляторных генов.
Синтез белка находится под двойным контролем. Репрессия – подавление действия гена. Дерепрессия - включение действия гена. В опытах были изучены основы регуляции, генной репрессии, активность генов. Ген работает не всегда, у каждого гена есть время действия и место действия.