4. Гены активные и репрессированные

Основная масса генов, активно функционирующих в большин­стве клеток организма на протяжении онтогенеза,— это гены, которые обеспечивают синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и т. д.), тРНК и рРНК. Такие гены называют конститутивными.. Работа другой группы генов, контролирующих синтез специфических белков, зависит от различных регулирующих факторов. Их называют регулируемыми генами. Изменение условий может привести к активации «молчащих» генов и репрессии активных. Дифференцированная экспрессия генома у млекопитающих обусловливает развитие огромного множества типов тканей.

Лекция 2

Функциональная геномика и биоинформатика

План лекции

1. Геном человека. Геномика

2. Особенности митохондриальной ДНК человека

3. Особенности ядерного генома человека

4. Транскрибируемая ДНК

5. Не транскрибируемая ДНК

6. Биоинформатика в медицине и фармации

Геном человека. Геномика

Основу генома человека составляет молекула ДНК — знаменитая ≪нить жизни≫, двуспиральная структура которой была гениально предсказана и научно обоснована в работе нобелевских лауреатов Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика еще в 1953 году.

Спираль состоит из4 пар оснований (нуклеотидов): двух пуринов (аденин, гуанин) идвух пиримидинов (тимин, цитозин), связанных между собой черездезоксирибозу и остатки фосфорной кислоты в длинную нить. Приформировании двойной спирали обе нити ДНК соединяются между

собой посредством водородных связей между нуклеотидами, причем

так, что аденин всегда соединен с тимином, а гуанин — с цитозином.

Соотношение пуринов (аденина и гуанина) и пиримидинов (тимина и цитозина) в молекуле ДНК всегда одинаково и равно единице.

Термин «геном» появился в 1920 году и первоначально был пред ложен немецким ученым Г. Винклером для определения гаплоидного набора хромосом. В настоящее время этот термин широко используется для обозначения всего наследственного материала клетки. Таким образом, геном — это наследственный аппарат клетки, содержащийвесь объем информации, необходимой для развития организма, егосуществования в определенных условиях среды, эволюции и передачи всех наследственных свойств в ряду поколений.

Наука, изучающая молекулярную структуру и функции геномов живых организмов, получила название «геномика».

Задачами геномики являются:

-идентификация генов;

- выявление мутаций;

- изучение полиморфных вариантов генов.

Сегодня под термином Геном человека понимается общая совокупность генов, определяющая наследственную информацию организма, иными словами совокупность всего наследственного материала, заключенного в клетке человека.

Различают ядерную и цитоплазматическую наследственность.

Ядерная наследственность - наследственнаяинформация, заключенная в ДНК ядрау эукариот и нуклеоид и прокариот.

Цитоплазматическая наследственность - наследственная информация, заключенная в ДНК клеточных органоидов, таких как митохондрии и пластиды у эукариот. У прокариот цитоплазматическая наследственность обеспечивается плазмидной ДНК.

Таким образом, в зависимости от нахождения молекулы ДНК в клетке, ДНК подразделяют на хромосомную (хромосомы у эукариот, нуклеоид у прокариот) и экстрахромосомную (ДНК митохондрий и пластид у эукариот, плазмиды у прокариот).

Особенности митохондриальной ДНК человека

1. Кольцевая суперспирализованная двухцепочечная молекула ДНК.

2. Длина молекулы ДНК – 16 569 п.н.

3. 37 генов: 2 гена рРНК, 13 генов, кодирующих белки, 22 гена тРНК.

4. Есть перекрывающиеся гены

5. 1 ori-сайт (монорепликонная молекула ДНК)

6. Комплементарные цепи различаются по удельной плотности. Одна цепь – тяжелая (содержит много пуринов), другая – легкая (содержит много пиримидинов).

7. 2 промотора (по одному на каждой цепи)

8. Синтезируются полицистронные РНК

9. Процессинг РНК:

• Разрезание полицистронной РНК

• Полиаденилирование 3’-концов мРНК

• Редактирование РНК (модификация или замена нуклеотидов)

КЭПирования нет.

Сплайсинга нет (в митохондриальных генах человека интроны отсутствуют).

10. ДНК неметилируется.

11. Митохондриальная ДНК наследуется по материнскому типу

12. Есть отклонения от универсального генетического кода:

• Кодон АУА кодирует метионин (вместо изолейцина)

• Кодон УГА кодирует триптофан (вместостоп-кодона)

• Кодоны АГА и АГГ являются стоп-кодонами

(в универсальном коде кодируют аргинин )

Особенности ядерного генома человека

1. Размер генома 3×10⁹п.н.

2. 30 000 генов

3. Молекулы ДНК линейные

4. Молекулы ДНК полирепликонные (количество ori-сайтов зависит от длины молекулы)

5. Опероны отсутствуют

6. Мозаичная (интронно-экзонная) структура генов

7. Большее (по сравнению с прокариотами) количество регуляторных элементов

8. Наличие мультигенных семейств и псевдогенов

9. Наличие уникальных и повторяющихся последовательностей.

Программа «Геном человека» - получение точных данных о первичной структуре генома (последовательность нуклеотидов).

В ходе выполнения проекта «Геном человека» была определена последовательность нуклеотидов ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК методом секвенирования.

В настоящее время эти данные активно используются по всему миру в биомедицинских исследованиях.

Геном человека состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомные хромосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.

Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20—25 тыс. активных генов[2], что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта (порядка 100 тыс.) — то есть только 1,5 % всего генетического материала кодирует белки или функциональные РНК. Остальная часть является некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК (нетранскрибируемая)

Таким образом, вся ДНК генома человека может быть условно подразделена на транскрибируемую и не транскрибируемую части.

К транскрибируемой ДНК относят структурные и функциональные гены.

Нетранскрибируемую часть ДНК составляют: псевдогены, тандемные повторы, мобильные генетические элементы, некодирующие РНК.