Вопрос 4. Хромосомная теория наследственности т.Г. Моргана. Основные положения. Ограниченность 3 закона Менделя. Кроссинговер и его значение для доказательства линейного расположения хромосом.

Теория наследственности, теория, согласно которой хромосомы, заключенные в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности, т.е. преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом. Теория наследственности возникла в начале 20 века на основе клеточной теории и использования для изучения наследственных свойств организмов гибридологического анализа.

Положения хромосомной теории:

1. Гены находятся в хромосомах. Каждая хромосома представляет собой группу сцепления генов. Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному числу хромосом.

2. Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус). Гены в хромосомах расположены линейно.

3. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен аллельными генами.

4. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.

Кроссинговер (перекрёст) — явление обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации при мейозе. Кроссинговер — важнейший механизм, обеспечивающий комбинаторную изменчивость, а, следовательно, — один из главных факторов эволюции. Кроссинговер, как правило, имеет место в профазе первого деления половых клеток, когда их хромосомы представлены четырьмя нитями. В месте перекреста удаётся цитологически обнаружить характерную фигуру перекрещенных хромосом — хиазму. Результат кроссинговера можно выявить по новому сочетанию сцепленных генов (если аллели гомологичных хромосом, участвовавших в кроссинговере, были гетерозиготны). Этот приём, открытый американским генетиком Т. Морганом, позволил доказать линейное размещение генов в хромосоме и разработать метод установления их взаиморасположения.

Группа сцепления – гены, локализованные в одной хромосоме. Число групп сцепления равняется числу пар хромосом.

Ограниченность третьего закона Менделя.

Независимое комбинирование генов возможно лишь потому, что рассматриваемые пары хромосом относились к разным аллельным парам.

Следовательно, принцип независимого наследования и комбинирования признаков проявляется только тогда, когда гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах хромосом, относятся к различным группам сцепления – в этом ограниченность 3-его закона Менделя.

Оказалось, что гены, находящиеся в одной хромосоме, сцеплены не абсолютно. Во время мейоза, при конъюгации хромосом гомологичные хромосомы обмениваются идентичными участками (кроссинговер). Чем дальше друг от друга расположены локусы в одной хромосоме, тем чаще между ними следует ожидать перекрест и обмен участками.

Существование кроссинговера позволило школе Моргана разработать принцип построения генетических карт хромосом. В основу этого принципа положено представление о расположении генов по длине хромосомы в линейном порядке. За единицу расстояния между генами условились принимать 1% перекреста между ними. Эта величина - морганида . Если гены А,В,С в одной группе сцепления и расстояние между ними К единиц, а расстояние между В и С равно Л единицам, то расстояние между А и С будет либо К+ Л, либо К-Л.

Генетические карты хромосом строятся на основе гибридологического анализа.

Вопрос 5. Особенности молекулярного строения ДНК и РНК. Модель структуры ДНК Уотсона – Крика. Правило Чаргаффа. Комплементарность структуры ДНК. Жесткость молекулярной структуры и ее бесконечная вариабельность. Реакция на выявление ДНК и РНК. Проблема избыточности ДНК.

Нуклеосомная структура. Нуклеосомы – это структурная часть хромосомы (шаровидной формы), образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками.

Нуклеосома состоит из 8 гистоновых молекул и имеет диаметр около10 нм. Вокруг нее уложен отрезок двуспиральной нити ДНК, которая образует почти 2 оборота. Соседние нуклеосомы соединены короткими отрезками ДНК. Ген среднего размера состоит из участка цепочки, включающей около 6 нуклеосом.

Считывание наследственной информации с генов регулируется белками. Гистоны не только обеспечивают структурную организацию хроматина, но и являются репрессорами т.к. препятствуют считыванию генетической информации. Начало считывания генетической информации связано с освобождением определенного участка на цепи ДНК (гена) от гистонов. Негистоновые хромосомные белки могут узнавать определенные гены и прикрепляться к ним, затем вступают с ними в соединения и сползают с нити ДНК. Ген дерепрессируется и начинается считывание наследственной информации.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков. Большинство природных ДНК имеет двухцепочечную структуру, линейную (эукариоты, некоторые вирусы и отдельные роды бактерий) или кольцевую (прокариоты, хлоропласты и митохондрии). Линейную одноцепочечную ДНК содержат некоторые вирусы и бактериофаги. В клетках эукариот ДНК располагается главным образом в ядре в виде набора хромосом. Бактериальная (прокариоты) ДНК обычно представлена одной кольцевой молекулой ДНК. Генетическая информация генома состоит из генов. Ген — единица передачи наследственной информации и участок ДНК, который влияет на определённую характеристику организма.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) — нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания.Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче ДНК и преимущественно одноцепочечные.

В 1950 г. английский физик М.Уилкинс получил рентгенограмму кристаллических волокон ДНК. Она показала, что молекула ДНК имеет определенную структуру, расшифровка которой помогла бы понять механизм функционирования ДНК. Рентгенограммы, полученные не на кристаллических волокнах ДНК, а на менее упорядоченных агрегатах, которые образуются при более высокой влажности, позволили Розалинд Франклин, коллеге М. Уилкинса, увидеть четкий крестообразный рисунок - опознавательный знак двойной спирали. Стало известно также, что нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, а на один виток спирали их приходится 10 ( рис. 14 ). Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм. Из рентгеноструктурных данных, однако, было не ясно, каким образом цепи удерживаются вместе в молекулах ДНК. Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин. Результаты работы опубликовали в апреле 1953 года в журнале Nature. Им удалось убедительно доказать, что ДНК - это двойная спираль с комплементарными азотистыми основаниями. Согласно модели Уотсона и Крика молекула ДНК напоминает гибкую лестницу, закрученную вокруг воображаемой оси. Боковые стороны этой лестницы – чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты, перекладины – комплементарные азотистые основания, между основаниями из противоположных цепей образуются водородные связи. Из построенной ими модели выявилось, что какой-либо пурин в одной цепи всегда связан водородными связями с одним из пиримидинов в другой цепи. Такие пары имеют одинаковый размер по всей длине молекулы. Не менее важно то, что аденин может спариваться лишь с тимином, а гуанин только с цитозином. При этом между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три. Их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г.

Э. Чаргафф внес вклад в изучение структуры ДНК. В своем эксперименте он использовал чистую ДНК и разрушал ее на нуклеотиды, подсчитывая количество азотистых оснований. Он установил, что у разных видов их различное соотношение. Группа Эрвина Чаргаффа работала над этим в 1949—1951 гг.

Правила Чаргаффа (для ДНК):

1. Сумма пиримидиновых (У, Т, Ц) нуклеотидов равна сумме пуриновых (А, Г): Пур = Пир

2. Содержание тимина равно содержанию аденина, а содержание гуанина равно содержанию цитозина: А=Т, Г=Ц.

3. Количество 6-аминогрупп равно количеству 6-кетогрупп: Г+Т = А+Ц.

4. Отношение А+Т \ Г+Ц видоспецифично. У одних преобладают пары АТ, в других — ГЦ.

Комплиментарность.

В природе существует всего 5 типов нуклеотидов, т.е. всего 5 типов азотистых оснований входит в состав нуклеиновых кислот. В ДНК это аденин (А), Гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). В РНК вместо тимина – урацил (У). Основания способны соединяться попарно А-Т (У), Г-Ц. Они комплиментарны, т.е. дополняют друг друга. А-Т связаны двумя водородными связями, а Г-Ц – тремя. Нуклеиновые кислоты подобно белкам имеют первичную структуру последовательность нуклеотидов. Расположение нуклеотидов важно, так как задает последовательность аминокислот в кодируемых белках. Вторичную структуру – две комплиментарные цепи, и третичную – пространственную структуру, которую и установили Уотсон и Крик.

Жесткость структуры ДНК обусловлена способностью ДНК к авторепродукции. Новые молекулы ДНК имеют ту же структуру, что и исходные. Чередование пар – специфика. Это свойство является единым принципом строения ДНК у всех живых организмов. Это говорит о монофилии животного и растительного мира.

Генетическая рекомбинация – источник бесконечной вариабельности ДНК. Число возможных вариаций ДНК бесконечно. Это объясняет разнообразность и уникальность животного мира.

В молекуле ДНК каждый нуклеотид входит лишь в какой-нибудь один кодон. Поэтому код ДНК неперекрывающийся. Кодоны располагаются друг за другом без перерыва. Так как кодонов возможно 64, то одни и те же аминокислоты могут кодироваться различными триплетами (кодоны – синонимы). Такой код называется вырожденным или избыточным.

Реакции на выявление ДНК и РНК.

Реакция на ДНК – реакция Фельгена: реактив Шиффа – фуксин-сернистая кислота (сиренево-фиолетовые глыбки в ядре).

Реакция на РНК – реакция Браше: реактив метиленовый зеленый - пиронин (малиново-красные гранулы в цитоплазме и окрашенные ядрышки).

Вопрос 6. Ген. Эволюция понятия гена. Взгляды Н. Кольцова на биохимическую структуру гена. Требования, предъявляемые к материальному субстрату, ответственному за несение генетической информации. Цистрон-регулятор, цистрон-оператор, структурные цистроны. Оперон, кодон, мутон, рекон. Экзон, интрон, сплайсинг, спейсеры. Альтернативный сплайсинг. Этапы транскрипции и трансляции.

Ген (цистрон) – участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов), имеющий определенную последовательность нуклеотидов, содержащий информацию о последовательности аминокислот в первичной структуре какого-либо одного белка. Ген - функциональная единица наследственной информации.

Эволюция понятия гена.

1909 – Йогансен ввел понятие «ген». Раньше считалось, что гены представляют собой часть хромосомы и яв­ляются неделимой единицей, обладающей рядом свойств: способностью определять признаки организма; способностью к рекомбинации, т. е. пе­ремещению из одной гомологичной хромосомы в другую при кроссинговере; способностью мутировать, давая новые аллельные гены. В дальнейшем оказалось, что ген представляет собой сложную систе­му, в которой указанные особенности не всегда бывают нераздельными. Первые представления о. сложной структуре гена возникли еще в 20-х годах текущего столетия. Советские генетики А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин выдвинули предположение, что ген состоит из отдельных «ступенек». В настоящее время это блестяще подтвердилось новыми ис­следованиями. Установлено, что ген представляет собой часть молекулы ДНК и состоит из сотен пар нуклеотидов. Ген как функциональную еди­ницу американский генетик С. Бензер предложил назвать цистроном. 1960 – Дж.Симпсон указывает на то, что наследственность осуществляется через гены. Именно (ген) цистрон определяет последовательность аминокислот в каждом специфическом белке. Гены функционально неодинаковы. Структурные гены содержат информацию о расположении аминокислот в молекуле белка, они обычно расположены рядом, образуя один блок – оперон. Они программируют синтез ферментов, участвующих в последовательно идущих ферментативных реакциях, в одном метаболическом цикле. В оперон входят участки, относящиеся к процессу включения транскрипции - промотор- место первичного прикрепления РНК полимеразы, с которого начинается процесс транскрипции и регуляторный участок- ген оператор. В зависимости от его состояния структурны гены могут быть активны или выключены из процесса транскрипции. Вся группа генов одного оперона функционируют одновременно. 1963 – Ф. Добжанский пишет о том, что единицей наследственности и мутации являются тела молекулярных размеров, названных генами.

В 1927г.- Кольцов сформулировал белковую гипотезу гена (она просуществовала до 1953 года).

Кольцов рассматривал гены как боковые радикалы огромных белковых молекул (генонем) хромосомы. Гипотеза Кольцова носила умозрительный характер, но она содержала некоторые ценные идеи:

1. Ген является химической молекулой, биополимером.

2. Ген представляет собой нерегулярный биополимер, несущий в особенностях своего строения специфическую наследственную информацию.

3. Гипотеза предусматривала механизм редупликации генетической молекулы посредством матричного синтеза.

Требования, предъявляемые к субстрату наследственности:

1. Способность к самовоспроизведению – вещество должно обеспечить преемственность свойств в поколениях

2. Уникальность – вещество должно иметь структуру, объясняющую существование миллионов видов и неповторимость.

3. Специфичность – структура вещества должна предполагать синтез специфических белков.

Мутон – наименьший участок, изменение которого приводит к мутации.

Рекон – наименьшая единица рекомбинации или минимальное расстояние между двумя точками хромосомы, в пределах которых возможна рекомбинация.

Кодон – триплет, набор из 3 нуклеотидов, кодирующий одну АК, определяющий ее место в полипептидной цепи.

Оперон – блок, образованный структурными генами. Единица считывания наследственной информации.

Оперон у прокариот: состоит из структурного цистрона и цистрона-оператора.

Оперон у эукариот:

- Плейотропная активация (много генов-регуляторов).

- Зависимость от гормонов (тестостерон, эстроген).

- Роль белков хроматина (гистоновых, нуклеосомных, негистоновых – инактиваторов).

- Поэтапная регуляция (сплайсинг и мультимерная организация белка).

Цистрон-регулятор – ген, кодирующий синтез белка-репрессора.

Структурные цистроны – расположены рядом и образуют оперон. Они программируют синтез ферментов, участвующих в последовательно идущих ферментативных реакциях одного метаболического цикла.

Ген оператор - функциональный ген, расположенный в начале оперона. Это функциональный ген, который осуществляет включение и выключение структурных генов.

Оператор контролируется геном регулятором, расположенном на каком-то расстоянии от оперона. Ген регулятор кодирует синтез особого белка- репрессора. Репрессор может быть в 2 –х формах активной и неактивной. В активной форме он присоединяется к оператору и блокирует транскрипцию, оперон выключается. Пока репрессор связан с геном оператором, оперон в выключенном состоянии. При переходе белка репрессора в неактивную форму ген оператор освобождается, происходит включение оперона и начинается синтез соответствующей РНК с последующим синтезом ферментов. В конце оперона расположен терминатор-сигнал к прекращению транскрипции.

Интроны – инертные участки ДНК или РНК, как правило, не несет наследственной информации.

Экзоны – неинертные участки ДНК или РНК. Участки гена несущие генетическую информацию, представленные м-РНК, кодирующие первичную структуру белка.

Сплайсинг – процесс "сшивки" кодирующих участков (экзонов) после вырезания из первичного транскрипта последовательностей, не несущих никакой информации (интронов). Таким образом незрелая про-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой считываются белки клетки. Происходит при участии малых ядер РНК.

Спейсеры – небольшие нетранскрибируемые участки ДНК, которые разделяют многочисленные повторы генов

Альтернативный сплайсинг — процесс, в ходе которого экзоны, вырезаемые из про-мРНК, объединяются в различных комбинациях, что порождает различные формы зрелой мРНК. В результате один ген может порождать не одну, а множество форм белка.

Про-мРНК некоторых генов эукариот могут подвергаться альтернативному сплайсингу. При этом интроны в составе про-мРНК вырезаются в разных альтернативных комбинациях. Разные варианты альтернативного сплайсинга одной про-мРНК могут осуществляться в разные периоды развития организма или в разных тканях, а также у разных особей одного вида. Как правило, при альтернативном сплайсинге из первичного транскрипта удаляются и некоторые экзоны.

Трансляция - перевод генетической информации с нуклеотидного кода, записанного в молекулах мРНК, в определенную последовательность аминокислот в полипептидной цепи синтезируемого белка.

Этапы трансляции - инициация (начало синтеза), элонгация (удлинение, наращивание полипептидной цепи), терминация (окончание синтеза). Последнее обеспечивается терминирующими кодонами.