1.Генетикалық кодтың негізгі қасиеттері.

Генетикалық кодтың жалпы қасиеттері мутация пайда болуының молекулалық заңдылықтарын зерттеу арқылы анықталған болатын. Олар мыны төмендегідей:

-Генетикалық код әмбебап (яғни, негізінен барлық тірі организмдерде ұқсас)

-Генетикалық код триплетті (яғни, әр аминқышқылын үш нуклеотид кодтайды).

-Генетикалық код бүркемеленбейді (яғни, көршілес үш өрімдерде ортақ негіздер болмайды)

-Генетикалық кодта жеке триплеттер арасында қандай болмасын шектелу белгілері болмайды (үздіксіз код)

-Генетикалық кодтың оқылу сызықтық ретпен жүреді және колинеарлығымен сипатталады, яғни мРНК-ғы кодондардың орналасу реті түзілетін белоктағы солар арқылы кодталатын аминқышқылдарының ретімен сәйкес келеді.

-Генетикалық код түбірімен өзгереді (яғни, әр аимнқышқылына бірнеше кодон сәйкес)

- Әр аимнқышқылына тиісті (рагининнен басқа) кодондар саны оның белок молекуласындағы кездесу жиілігімен үйлесімді болады.

-Қандай болмасын бір аимнқышқылына келіп қосылуға тиіс түрлі кодондардың қолданылу жиілігінің түрлік ерекшелігі болуы мүмкін.

-Кодонның үш нуклеотидтерінің ішінде алдыңғы екеуінің ерекше маңызы бар, үшіншісі құбылмалы болуы мүмкін. Кодонның үшінші жағдайындағы негіз, көбінесе өз ерекшелігіне байланысты онша маңызы болмайды. Кодонның бұл жағдайдағы аздаған өзгешелігін үшінші негіздің азғындауы деп атайды.

Гентикалық кодтың құрылысы. Ақуыздың құрамындағы амин қышқы ы;) Барлық тірі ағзаларда универсалдық (әмбебап); колинеарлық (үздіксіз); қайталанушылық (яғни бір амин қышқылын бірнеше триплет кодтайды). Амин қышқылдарын кодтайтын нуклеодитер триплет немесе кодон деп аталады, олар т-РНҚ-дағы антикодонға комплементарлы. Төрт түрлі нуклеодитен 64 кодон түзіледі, оның 61-і амин қышқылдарын кодтайды және оның бірі метионинді кодтайтын АУГ-триплеті инициациялаушы болып табылады. Бұл триплеттен генетикалық ақпаратты оқу басталды. Қалған 3 триплет (УАА, УАГ, УГА) амин қышқылдарын кодтамайды, оларды мағынасыз немесе терминациялаушы триплеттер деп атйды. Олар ақуыз синтезін аяқтайды.

Генетикалық кодтың ДНҚ-да белоктағы синтезі.

Белоктың полипептидтік тізбегіндегі амин қышқылдары қатарын ДНҚ нуклеотидтерінің тізбегі арқылы бейнелеу генетикалық код деп атаған. ДНҚ-ның төрт-ақ түрлі нуклеотидтен (А,Т,Г және Ц) құралғаның, ал белоктарда 20 амин қышқылы кездесетінін ескерсек, онда коделік сан үштем кем болмауы керек.

Сонымен қатар генетикалық кодтың мынадай ерекшеліктерін байқауға болады.

1.Кодтқа синонимділік тән, яғни үш амин қышқылының-аргинин, серин және лейциннің -әрқайсысының алтында кодондары бар, бес –валин, пролин, треонин, аланин және глициннің-төрттен; бір-изолеиннің-үштен; тоғыз-фенилаланин, тирозин, гистидин, глутамин, аспаргин, лизин, аспаргин қышқылы, глутамин қышқылы және цистейннің –екіден кодондары бар. Тек екі амин қышқылының ( метионин мен триптофанның) жалғыздан кодондары бар. Кодондардың алғашқы екі негізгі тұрақты, ал үшінші орынды екі, үш немесе төрт әр түрлі негіздердің бірі алуы мүмкін, соның ішінде үшінші орындағы пиримидинді негіздердің ( Ц немесе У) бірінен тұратын кодондар әр қашан синонимді, ал екі пуриннің (А немесе Г) бірімен аяқталған кодондар кейде ғана синонимді болады. Бірден үш негіз бойынша айырмашылығы бар кодондар –аз ( мысалы, УЦГ және АГУ екеуі де серинді коделейді).

2.Кодтың үш терминациялық кодоны бар: УАГ, УАА және УГА, олар код кестесінде «Стоп! Деп белгіленген: біреуі де ешқандай амин қышқылын коделемейді. Осындай кодондары бар синтетикалық полинуклеотидте белок синтезі олар орналасқан жерге дейін жүреді де, транскрипция процесі тоқталады. Егер мутация нәтижесінде терминалдық кодондардың бірі түзілсе, онда белок синтезі ерете тоқтайды. Мұндай мутация нонсенс-мутация деп аталады. Кейде терминациялық кодонды белгілеу үшін «нонсенс-кодон» атауы қолданылады. «Нонсенс» кодон үшін дұрыс емес атау: белгілі дәрежедегі мағынасы бар.

3.Кодтың жабылмауы: мысалы, иРНҚ-ның АГЦУТГЦУА тізбегі АГЦ-ГЦУ-ЦУГ (бір негіз бойынша жабылу) немесе АГЦ-ЦУГ-ГГЦ, (екі негіз бойынша жабылу) деп оқылмайды.

4.Код универсалды: барлық тірі организм-эукариоттар мен прокариоттарда және вирустарда белгілі бір кодонның нақты амин қышқылын анықтау механизмі бірдей.

Генетикалык кодтың шешілуі. (фр."соdе"-нуклеин кышқылдарындағы тұқым қуу ақпаратының «жазылу» жүйесі). ДНҚ-ның генетикалық ролі ашылғаннан кейін генетикалық информацияның тұқым қуатындығы жөнінде концепцияның негізі қалана бастады. ДНҚ-ның құрылымы ондағы негіздердің бір ізділігіне тәуелсіз екені маңызды факт болды. Сөйтіп, полинуклеотидтік тізбектегі негіздер бір ізділігі ДНҚ-ның құрылымына емес, оның белоктағы амин қышқылдарының бір ізділігін кодтауға зор маңызы бар екен. Әрбір белоктың белгілі бір амин қышқылдарының тұрақты санынан тұратыны жөніндегі көзқарас 1950 жылдары инсулиннің құрылымын ашу жөніндегі Сэнгердің жұмыстарының негізінде басталды. Клеткадағы белоктардың катализдік және құрылымдық белсенділіктерінің жиынтығы оның фенотипін анықтайды. ДНҚ-дан - белокка. Ген ДНҚ-дан тұратынын, ал ДНҚ қос тізбекті шиыршық екені белгілі. Егер ДНҚ шын мәнінде генетикалық молекула болса, ол белгілі бір ферменттің құрылымын да белгілеуі тиіс. Уотсон мен Криктің пікірі бойынша ДНҚ-ның нақ осы ролін молекуласындағы нуклеотидтердің жүйелілікпен орналасуымен түсіндіруге болады, мұнда ДНҚ тізбектеріндегі төрт нуклеотид кезектесіп отырады. Бірақ, ферменттер химиялық жағынан белоктардың молекулалары, ал соңғылардың құрылымдық элементтері - амин қышқылдары болып табылатындықтан, ол қышқылдардың белок молекуласында (демек, ферменттердікі де) орналасу реті ДНҚ молекуласындағы нуклеотидтердің орналасуына, дәлірек айтқанда, нуклеотидтердің ДНҚ молекуласының тізбектерінде орналасуына қарай белгіленеді. Ф. Крик бастаған ғалымдар 50-60 жылдары жүргізген зерттеулерінің нәтижесінде әр амин қышқылына ДНҚ-дағы үш негіз үйлесімі сәйкес келетінін (сол үш нуклеотид амин кышқылының аты болып табылады) ашты. Оны кодон деп атады. Бір объектіні басқа объектілердің жәрдемімен бейнелеуді кибернетикада кодпен жазу деп атайды. Белок құрамына 20 түрлі амин қышқылы кіреді. Сондықтан нуклеотидтік құрылысы бір-біріне ұқсамайтын 64 кодон алуға болады (4³ =64). Артық 44 кодонның не керегі бар? Біріншіден, амин қышқылдарының әрқайсысына бірнеше кодон сәйкес келеді, екіншіден, үш кодон ешбір амин кышқылына сәйкес келмейді, олар мәнсіз (нонсенс) кодондар - УАА, УАГ және УГА ДНҚ-дағы АТТ, А ТЦ жөне АЦТ сәйкес. ДНҚ-дағы гендер осындай мәнсіз кодондармен бітеді және соның нәтижесінде кодондармен жазылған белоктың "аты" тиянақты болып шығады. Амин қышқылдарының кодондық белгілері тікелей ДНҚ-да анықталған жоқ. Ол үшін геннің дәл көшірмесі болып табылатын и-РНҚ-ның қызметі пайдаланады. ДНҚ- дағы геннің нуклеотидтік құрамын сәйкес нуклеотидтермен (Г-ның орнына ол урацилді (У) қолданады) өз бойына жазып алған соң и-РНҚ сол хабармен белок жасайтын рибосомаға келеді. Рибосома и-РНҚ тізбегіндегі кодондарға қарап отырып сәйкес амин қышқылдарын бір-бірімен тізіп, жалғастыра береді. 1940-шы жылдарда американдық генетиктер - Дж. Бидл мен Э. Тейтум клеткада әр ферменттің пайда болуын және активтілігі белгілі бір генмен бақыланатынын эксперимент ретінде көрсетті. Олардың теориясы "бір ген - бір фермент" деген дәлелмен сипатталады. Бұл гендерді тануда бір адым ілгері аттау еді, ол кезде гендердің өзі белоктар деп саналған. 1961 жылы Пастер институтының кызметкерлері Ф. Жакоб пен Ж. Моно ДНҚ белоктар жинағын тікелей басқармайды деген ғылыми болжамды ұсынды. Сарапшы ролін РНҚ-ның ерекше молекуласы орындайды, оның структурасы ДНҚ молекуласының қос спиралін жазған кезде пайда болады, бұл жағдайда ДНҚ-ның жазылған тізбегінде РНҚ-нің тізбегі түзіледі, мұнда нуклеотидтердің орналасуы олардың ДНҚ тізбегінде орналасуына сәйкес келеді. Нуклеотидтерді олардың органикалық қосылыстары аттарының бас әріптерімен белгілейік. ДНҚ-ның жазылған спиралінде нуклеотидтердің төменде келтірілген реті бойынша тиісті "жұппен" және нуклеотидтердің қосымша орналасуымен РНҚ тізбегі пайда болуға тиіс, атап айтқанда ДНҚ тізбектеріне РНҚ тізбегі жауап қайтарады.

Дәріс №9

Мутацияның молекулалық негіздері. Нуклеин қышқылдарының мутациясы. Хромосомалардың құрылымдық мутациясы. Гендік мутацияның молекулалық механизмдері. Мутогендік факторлар: иондаушы сәулелер, химиялық агенттер.

1. Нуклеин қышқылдарының мутациясы.

2. Хромосомалардың құрылымдық мутациясы

3. Мутоген-дік факторлар: иондаушы сәулелер, химиялық агенттер.

4. ДНК репарациясының негізгі типтері.

5. Мутабильді гендер.

Хромосомалық мутациялар. Генетикалық материалдың өзгеруіне гендік мутациямен қатар хромосомалық мутация да жатады. Табиғатта мутация құбылысын тек нуклеин қышқылы деңгейінде ғана емес, сонымен қатар хромосома деңгейінде де байқауға болады. Бұл жағдайда кариотиптегі хромосомалардың құрылымы өзгереді. Хромосомалық мутацияға олардың сандары (геномдық мутация) мен құрылымының өзгеруі (құрылымдық мутация) жатады.

Геномдық мутациялар. Геномдық мутация дегеніміз - клеткадағы хромосомалар санының өзгеруіне байланысты организмнің белгілері мен қасиеттерінде пайда болатын өзгергіштік. Геном дегеніміздің өзі гаплойдты хромосомадағы гендер жиынтығы. Геномдық мутация нәтижесінде организм хромосомаларының диплоидты саны қалыпты деңгейден әр қилы ауытқиды. Мал селекциясы үшін геномдық мутациялар ішінен анеуплойдия мен полиплойдияның маңызы бар. Анеуплойдия деп кариотиптегі кейбір хромосомалар санының өзгеруі аталады. Анеуплойдияға моносомиктер (жұп хромосомалардың біреуінің жетіспеуі - 2n-1), трисомиктер (кариотипте қосымша бір хромосоманың пайда болуы - 2n+1), нуклеосомиктер (кариотипте гомологты екі хромосоманың да жоқ болуы - 2n-2), тетрасомиктер (2n+2), қосмоно- және қостетросомиктер (2n-1-1 және 2n+1+1) жатады. Анеуплойдияның пайда болуының негізгі механизмі митоздық және миоздық бөлінуде кейбір хромосомалардың клетка полюстеріне қалыпты ажырамауы және жоғалып кетуіне байланысты. Алғаш рет анеуплойдияны 1961ж. Бриджес D. Melanogaster шыбынының мейоздық бөлінуінде хромосомалардың ажырамауын зерттеп ашты. Кейбір ұрғашы дарақтарда жыныс хромосомалардың үш жиынтығы болады: екі Х-хромосома және бір Y-хромосома (XXY); кейбір еркек дарақтардың кариотипінде Y-хромосома жоқ болып шықты, бірақ онда жалғыз Х-хромосома бар (ХО).

Хромосомалардың гаплоидты санының еселенуі полиплоидия деп аталады. Полиплоидия кезінде диплойдты организмдердің (2n) орнына, (3n)-, тетра (4n)-, пента (5n)-, гексаплоидты (6n) т.с.с. организмдер пайда болады. Полиплоидия жануарларда өте сирек байқалатын құбылыс, алайда ол өсімдіктерде жиі кездеседі. Гүлді өсімдіктердің 47%-і полиплоидты болып есептеледі. Жануарларда полиплоидты қатарлар негізінен гермафродиттер (еркек және ұрғашы жыныстың мүшелері бар) арасында белгілі. Мысалы, жауын құртында және ұрғашы дарақтары партеногенез жолымен дамуға қаблетті түрлерде (кейбір балықтар, саламандралар, шаянтәрізділер, көбелектер, қоңыздар және қандалалар) полиплоидты қатарлар байқалады. Сүтқоректілерде полиплоидияның жалғыз мысалы ретінде сары атжалман саналады. Олардың кариотипінде 44 хромосома болса, ал кәдімгі және сұр атжалман кариотипінде 22 хромосома бар.Құрылымдық мутациялар немесе хромосомалық аберрациялар.Барлық құрылымдық мутацияларды екі негізгі типке - хромосома ішілік және хромосома аралық - бөлуге болады. Бірінші жағдай үшін бір хромосома ішіндегі өзгерістер тән, ал екіншісіне - гомологты емес хромосомалар арасындағы бөліктердің ауысуы тән. Өзгерістердің сипаты бойынша хромосомалық аберрациялаар негізінен екі типке бөлінеді: хроматидалық тип - тек бір хроматиданың өзгеруі; хромосомалық тип - хромосоманың екі хромотидасының өзгеруі. Кейде алмасуға бір хромосоманың екі хроматидасы және екінші хромосоманың бір хроматидасы қатынасады. Мұндай құрылымдық мутация аралас типке жатқызуға болады.Хромосома ішілік аберрацияларға жетіспеушілік, дупликация, инверсия және транспозиция (инсерция)жатады.

Жетіспеушілік - хромосома бөлігінің үзіліп, жоғалуы. Жетіспеушіліктің екі түрін ажыратады: делеция - хромосоманың ішкі (орта) бөлігінің жоғалуы; дефишенси - хромосоманың терминальдық (соңғы) бөлігінің жоғалуы. Жетіспеушіліктің нәтижесінде көбінесе сақиналы хромосомалар пайда болады. Көпшілік жағдайда хромосоманың үлкен бөлігінің гомозиготалық жетіспеушілігі эмбрионның өліміне әкеледі, ал кішігірім жетіспеушіліктің фенотиптік әсері гендік мутациядағыдай болады. Зерттеулер жетіспеушіліктің жануардың көбею функциясын төмендетумен қатар аның тіршілік қабілеттілігін әлсірететенін дәлелдейді.

Дупликация - хромосома бөлігінің бірнеше рет көбеюі. Мұндай мутацияның нәтижесінде ген дозасы көбейеді. Дупликация гендердің орналасу қатарын өзгертеді. Өзінің фенотиптік әсері бойынша дупликация көп жағдайда гендік мутациямен ұқсас болады. Дупликация эволюцияның маңызды механизмдерінің бірі болып саналады. Инверсия - хромосоманың ішкі бөлігінің 180⁰ айналуы. Инверсияның парацентрлі және перицентрлі түрлерін ажыратады. Инверсиялық өзгерістің бірінші түрінде айналатын бөлікке центромера кірмейді, ал екінші түрінде айналатын бөлікке центромераны қамтиды. Инверсия кезінде гендер құрамы өзгеріссіз қалады, бірақ олардың орналасу қатары өзгеріске түседі. Хромосома аралық құрылымдық мутацияға транслокациялар жатады. Транслокация деп гомолагты емес хромосома бөліктерінің орын алмасуын түсінеді. Хромосомалар бөліктерімен өзара алмасуы мүмкін. Мұндай транслокация реципрокты деп аталады. Егер хромосома бөлігінің алмасуы бір жақты өтсе онда мұндай алмасу реципрокты емес деп аталады.

Алғаш рет бұл транслокацияны 1964 ж. Швед ғалымдары И. Густавссон және Г. Рокборн шведтің қызыл сиырларында тапты. Хромосома аралық құрылымдық мутацияның тағы бір типі - робертсон транслокациясы. Робертсон транслокациясы деп екі акроцентрлі хромосоманың центромера аймағында субметацентрлі немесе метацентрлі хромосомаға бірігуін түсінеді (1-сурет). Әдетте бірігер алдында бір акроцентрлі хромосоманың ұзын иығының (q) және екінші хромосоманың қысқа иығының (p) үзілуі өтеді. Мұндағы пайда болған хромосоманың кішігірім центромерасы жоқ бөліктері жойылып кетеді.

Хромосома аралық құрылымдық мутация ретінде қаралатын транслокацияның үшінші типі - тандемді транслокация. Акроцентрлі хромосоманың ұзын иығының басым бөлігінің басқа хромосоманың теломерлі соңына жалғасуы тандемді қосылу деп аталады. Ірі қарада 1/9 (К. Хансен, 1969) және 1/7 (А. Херзог, Х. Хон, 1972) тандемді транслокациялары табылды. Екі транслокацияда малдың көбею функциясының төмендеуімен байланысты болды. Акроцентрлі хромосомалардың тандемді қосылу нәтижесінде кариотипте жаңа үлкен субтерминалды хромосома пайда болады. Мұндай транслокация жүруі үшін бір акроцентрлі хромосома центромералық аймақта, ал екінші акроцентрлі хромосома теломерлі ұшында үзіледі, ары қарай олар үзілу учаскелерінде қосылуы қажет.

Хромосома аралық құрылымдық мутациялар хромосоманың құрылысын және ұзындығын өзгерте алады. Олар митозда жақсы байқалады. Бұдан басқа құрылымдық мутацияның бар болуын гомологты хромосомалардың мейоздағы тәртібін зерттеп білуге болады.

Гендік мутациялар. Гендік мутация хромосоманың белгілі бөлігіндегі ДНҚ молекуласы нуклеотидтер қатарының өзгеру нәтижесінде пайда болады. Мұндай мутацияда гендік бір локус қана өзгереді. Өзгерісі мутацияға әкелетін ДНҚ молекуласының ең кішігірім бөлігі мутон деп аталады. Ол нуклеотидтің бір жұбына тең (РНҚ-лы вирустарда бір нуклеотидке).

Гендік мутацияларды үлкен екі класқа ажыратуға болады. Бірінші класқа нуклеотидтер жұбының алмасуы жатады. Екінші класқа жататын мутациялар код шекарасының «оқылуының» өзгеруіне байланысты болады. Спонтандық мутациялардың 20% - тен астамын негіздердің алмасуы құрайды. Нуклеотидтер жұбының алмасуы екі түрлі бағытта өтуі мүмкін: транзиция және трансверсия. Транзиция - нуклеин қышқылы молекуласындағы бір пуринді негіздің басқа пуринді негізге (аденин гуанинге немесе керісінше) немесе бір пириминді негіздің басқа пиримидинді негізге (тимин цитозинге немесе керісінше) алмасуына әкелетін гендік мутация. Транзицияларды жай алмасу деп түсінуге болады, өйткені мұндай алмасуда нуклеотидтік жұптар арасындағы пурин-пиримидин бағыты өзгермейді. Трансверсия - пурин - пиримидин бағытының өзгеруіне әкелетін күрделі алмасу (АТЦГ, АТТА, ЦГЦГ).

Код шекарасының «оқылуының» өзгеруі ДНҚ молекуласына артық нуклеотидтің енуіне немесе одан нуклеотид жұбының түсіп қалуына байланысты болады.

Мутагенез. Мутагендік факторлар. Сыртқы ортаның генетикалық аппаратқа әсер ету проблемасы биологияда бұрыннан белгілі болатын. Қазіргі кезде әр түрлі радиациялық сәулелердің, химиялық қосылыстардың және басқа агенттердің мутация пайда болуына әсері толық дәлелденді. Жасанды мутагенездің факторлары болып мутагендер саналады. Мутагендер деп мутация типтерінің пайда болуына әкелетін факторларды түсінеді. 1927 ж. Г. Меллер дрозофилаға рентген сәулесімен әсер етіп, жасанды мутагенез мүмкіндігін алғаш реет сенімді дәлелдеді. Осыдан кейін басқа физикалық және химиялық мутагендік факторларды жан-жақты зерттеу басталды. Радиациялық мутагендер. Тұқым қуалаушылық қасиетті радиацияның әсерімен өзгертуге болатындығын тұңғыш рет 1925 жылы Г. А. Надсон мен Г. С. Филиппов дәлелдеді. Олар радий сәулелерімен әсер ету арқылы саңырауқұлақтардың жаңа мутантты формаларын алды. Одан кейін Г. Меллер 1927 жылы дрозофила шыбынынан, ал Л. Стадлер 1928 жылы жүгері мен арпа өсімдігінен рентген сәулелерінің мутагендік әсерін байқады. Мутагендердің бұл класына негізінен иондаушы және ультра-күлгін сәулелер жатады

Иондаушы сәулелер өздерінің әсер ету сипатына байланысты аталады: кез келген заттың электрондарын ұшырып, оларды иондайды. Мұнда заттың атомы оң зарядталған ионға айналады. Өз кезегінде еркін электрондар басқа атомдармен әрекеттесіп, олакрды теріс зарядты ионға айналдыруы мүмкін. Пайда болған иондардың екі типі өздерінің бос радикалдарымен келесі химиялық реакциялардың өтуіне қолайлы жағдай туғызады. Мұның салдарынан геннің мутациясы және хромосомалардың үзілуі, өтуі мүмкін. Ауыр зарядталған протон, альфа - сәулелердің әсері нейтрондардікімен ұқсас, бірақ олардың иондары заттың ұзына бойында емес, жеке орындарда тығыз шоғырланады. Олар атом ядросымен жиі қақтығысады, осы себептен өздерінің энергиясын тез жоғалтады және затқа терең өте алмайды, сондықтан олар нейтрондармен қатар тығыз иондаушы радиация деп аталады. Электрондар энергиясына байланысты аралық күйде болады: олардың энергиясы көп иболған сайын өткізгіштігі артады, демек, ионизация тығыздығы кеми түседі. Керісінше, электрон өз жолының соңында энергиясынан айырылғаннан кейін тығыз иондар қабатын түзеді. Табиғи (секірмелі) мутагенез Секірмелі (спонтанды) түрде болатын мутациялық өзгергіштікке белгілі бір факторлармен арнайы әсер ету арқылы емес, табиғи жағдайда өздігінен пайда болатын мутациялар жатады.. Де-Фриздің мутациялық теориясының қалыптасуы әр түрлі өсімдіктер мен жануарларда болатын тұқым қуалайтын өзгергіштіктерді тауып зерттеуге мүмкіндік туғызады. Жалпы мутацияның табиғатта кең таралатындығы ертеден белгілі. Жасанды (индукциялы) мутагенез. Жасанды немесе индукциялы мутация деп белгілі бір факторлармен арнайы әсер ету арқылы пайда болатын тұқым қуалайтын өзгергіштікті айтады. Химиялық мутагендер. Радиоактивті сәулелердің мутагендік қасиеттері ашылғаннан кейін көп кешікпей химиялық заттардың әсерінен де тұқым қуалайтын өзгергіштіктің пайда болатындығы белгілі болды. 1932 жылы В. В. Сахаров дрозофила шыбынының жұмыртқаларын иодты калийдің 10 пайыздық ерітіндісімен өңдегенде оның мутация тудыратындығын анықтады. 1938 жылы М. Е. Лобашев сол объектіден аммиактың мутагендік әсерін байқады . Биологиялық мутагендер. Кейбір организмдер адамның және жануарлардың клеткаларына еніп, олардың ДНҚ-сын өзгерте алады. Бұларға вирустар, бактериялар, гельминттер, актиномицеттер, өсімдік экстрактары т. б. жатады. Вирустар мен бактериялар адам және жануарлар клеткасына бөтен ДНҚ-ны енгізуді қамтамасыз ете алады. Клетканың репарациялық жүйесі. ДНҚ тізбегіндегі физикалық (иондаушы және ультракүлгін сәулелер) немесе химиялық мутагендердің әсерә арқылы пайда болған мутациялық өзгерістердің және ДНҚ-ның қалыпты репликациясында түзілген жаңылыстың арнайы ферменттер жүйесінің әсері арқылы бастапқы қалпына келуі репарация деп аталады. Микроорганизмді (E.Coli) зерттеуде ДНҚ молекуласы репарациясының үш негізгі механизмі белгілі болды: фотореактивация, экцизиялық және пострепликациялық репарация.

1. Фотореактивация. Бактерияда ультракүлгін сәуле арқылы пайда болған тимин димирлерінің көзге көрінетін жарықтың (көк-күлгін) әсерінен ажырауы фотореактивация деп аталады. Тимин димирлері ДНҚ-ның құрылымын бұзады, нәтижесінде ДНҚ репликациясының өтуіне қиындық туады. Көк-күлгін жарық дезоксирибопиримидинфотолиаза ферментін активтендіреді, нәтижесінде тимин димерлері бір-бірінен ажырап, А - Т араларындағы сутектік байланыс қалпына келеді .

2. Эксцизиялық репарация. ДНҚ репарациясының екінші механизмі-

эксцизиялық репарация - жарықты керек етпейді, сондықтан оны кейде қараңғылық репарация деп атайды. Бұл репарация бірнеше ферменттердің көмегімен іске аса алады. Бірінші кезеңде эндонуклеаза ферменттері ДНҚ молекуласындағы мутациялық өзгерісті (мысалы, тимин димирлерін) тауып, оны үзеді (эксцизиялайды), мұның нәтижесінде ДНҚ тізбегінде тесік пайда болады. Енді ДНҚ-ның бос ұштарын экзонуклеаза ферменттері таниды, олар тізбекті ары қарай үзіп, тесікті кеңейтеді.

Дәріс №10

Нуклеин қышқылдарының алмасуы мен ауысуының молекулалық механизмдері. Плазмидтер. Вирустар, бактериофаггар олардың құрылысы мен құрылымдары. Сайттық - ерекше рекомбинация. Бактерия плазмидтері. Транспозондар

1Плазмидтер.

2. Вирустар, бактериофаггар олардың құрылысы мен құрылымдары.

3. Бактерия плазмидтері.

4.Транспозондар. Бактериалдық транспозондар.

Транспозиция басқа генетикалық процестерге қарағанда кеш ашылды. Бұрын әрбір геннің хромосомада белгілі тұрақты орны болады деген ұғым қалыптасқанды. Бірақ кейінгі кезде ДНҚ бөлшектері немесе гендері хромосоманың бір бөлігінен екінші бөлігіне, тіпті хромосомадан хромосомаға орын ауыстыра беретіні анықталды. Осындай ДНҚ әр түрлі атпен аталып кетті. Мысалы "секірмелі", "көшпелі", "мобильдық генетикалық элементтер", «мобильді дисперленген гендері», "бақылаушы элементтер". Микроорганизмдерде табылған көшпелі ДНҚ-нің түрін ғалымдар транспозондар дейді. Транспозондар бактериялық клеткаларда өте жақсы зерттелген, бірақ олар бірінші рет өсімдіктерде ашылған. Осы заманда ондай элементтер жануарларда да бар екендігі белгілі болып тұр. 1950 жылдың басында америкалық генетик Мак Клинтон кәдімгі жүгеріні түсі мен пигменттерінің тұқым қуалауы кезінде таралу өзгешеліктерін зерттей келіп, онда кейбір ДНҚ бөлшектері әр хромосомада бір орыннан екінші орынға ауысып жүреді деп болжам жасады.

I. Бактериалдық транспозондар.

1 S қоспаларына ДНҚ-нің 200-2000 қос жұпты нуклеотидтері бар бөлшектері жатады. Олардың ұштарында қайталанған инверттік негіздері бар. Қайталанған инверттік ұштардың ұзындығы әр 1 S - қоспасында әр түрлі. 1 S -қоспасында тек орын ауыстыруға қатысы бар гендер болады. Дәл айтқанда ол гендер транспозаза деген ферменттің синтезін кодтайды. Транспозиция механизмдері. Транспозоңдардың қозғалу механизмнің екі түрі болады деп есептеліп отыр. Бірінші түрі (репликациялық) бойынша жаңа сайтта транспозонның (ТnЗ, Тn7. 1 s 1, 1 s 2. 1 s 4) копиясы пайда болады. Ол процесс екі кезеңнен тұрады. Бірінші кезеңде, транспозонның дупликациясынан кейін донорлық және реципиенттік ДНҚ қосылады.

Екінші түрін консервативтік транспозиция дейді. Бұл түрі бойынша донорлық молекуладан транспозон бөлініп шығады (эксцизия) да реципиент молекуласына кіріп (инсерция) кетеді. Осы жолмен Тn916, Тn5, Тn10 транспозондары транспозиция жасайды. Қозғалғыш генетикалық элементтердің әсерінен хромосомада табиғатта кездесетін өзгерістердің бәрі болып тұрады: репликондардың қосылуы мен диссоциациясы, транслокация, делеция, инверсия және дупликациялар. Хромосоманың кез-келген бөлімі өзінің қалпын реципрокты орын ауыстырусыз-ақ, сол хромосоманың өзінде бола тұра немесе басқасына ауысып та өзгерте алады. Генетикалық-материалдың осындай шағын бөлімдерінің бір хромосоманың өз ішінде, не басқа хромосомада осылайша ауысып отыруын транспозиция деп атайды. Транспозициялаушы (мобильді немесе көшпелі) генетикалық элементтер хромосомадан өзінің алынып тасталуын және ДНҚ-ның жаңа сайтқа интеграциялануын автономды түрде бақылайтын ДНҚ-ның сегменті болып табылады. Олар екі түрлі болады: өзінің транспозициясына қажетті ақпаратты алып жүретін ДНҚ-ның біршама қысқа тізбегі болып келетін инсерциялар және транспозицияға қажетті ақпараттан тыс фенотиптік белгілерді кодтайтын - транспозондар. Транспозициялаушы элементтер организм үшін маңызы бар ешбір функцияны кодтамайды, бірақ арнайы гендерді, мысалы, антибиотиктерге төзімділіктің генін өзінде сақтай алады. Бұл элементтердің транспозициясы көбінесе күшті мутагендік әсерлермен қоса жүреді. Транспозондардың түрлері. Құрылысының ерекшелігіне қарай бактериялдық транспозондарды үш топқа бөледі – IS - элементтер Тn- элементтер және Мu-фагтер.

IS - элементтері алғаш рет транспозициялық мрдульдермен сипатталған. Кейбір IS - элементтер тәлелсіз бірліктер түрінде табылған, ол, мысалы Isон, Is50, Is903 сияқты транспозондардың құрамында да болған. Көбінесе Is элементтердің он және сол инверттік қайталанатын ұштары бір –

Эукариоттық транспозондар. Эукариоттық транспозондар қайталанатын ДНҚ фракцияларынан бөлінген. Ереже бойынша, олар, ұқсас нуклеотидтері бар, элементтер тұқымдасын құрайды. Әр элементтнрі бірнеше көшірмелерімен қарастырылған, олар клетка геномдарында әр түрлі орналасқан. Классикалық транспозондар. Бұл топтың транспозондарының ұштарында қысқа инверттік қайталану негіздері бар. Интеграция кезінде айналасына реципиенттік ДНҚ ның түзу қайталану негіздерін түзеді. Ретротранспозондар. Транспозондар тобын ретротранспозондар деп атаймыз, олардың тасымалдау механизмі ретровирустардың тіршілік цикліне ұқсас келеді.

Бір жіпшелі ретровирустарда бір тізбекті РНК бар. Оның ұштарында түзу қайталау негіздері орналасқан, ал арасында үш локус бар – gag, pol, және env. Ретротранспозондарға ретрогендерді жатқызуға болады. Транспозондардың маңызы. Транспозондардың биологиялық маңызы, геномдардың қайта құрылуына және мутацияға ұшыратып отырады. Сонымен қатар гендерді тасымалдайды. Геномдық қайта құрылулар. Екі бірдей транспозондар хромосомалардың қайта құрылуларын қамтамасыз етеді. Олардың бағыттарына байланысты ДНК бөлімдерінде делеция және инверсия процесстері іске асуы мүмкін. Қайта құрылған хромосомалардың бір ұшы екінші хромосомалардың екінші ұшына жалғасуы мүмкін, бұл процесс транпозаза ферменті бар екенін айтады. Ереже бойынша элементтер сақталынып отырады және тек құрамдас транспозондарда да ғана делеция мен инверсия процесстері жүреді. Транспозондардың қолданылуы. Транспозондар молекулалық биологияда кеңінен қолданылады. Олар мутагендер қызметін атқарады. Көп жағдайда Tn-5 транспозоны қолданылады. Себебі:

1- интеграцияға әлсіз келеді, хромосомаға оңай тасымалданады.

2- транспозиция кезінде геномдардың қайта құрылуларына мүмкіндік береді.

3- интегралдық жағдайы тұрақты.

4-Грам теріс клеткаларының транспозиция процессін жүзеге асырып отырады.

Транспозондарды ДНК нің қажетті бөлімдерінде гомологтар түзу үшін де қолданылады.

Дәріс №11

Ген инженериясының мәселелері мен міндеттері. Алғашқы рекомбииантты ДНК -ны жасаудағы П.Бергтің еңбектері. ДНК - ның клондалуының молекулалық механизмдері. Коэннің еңбектері. Рестриктаза ферменттері. Г.Корананың дрожжалардың аланинді т РНК - сын қолдан түзуі. Рекомбинантты ДНК-ны жасау принциптері.

1Ген инженериясының мәселелері мен міндеттері.

2Рекомбииантты ДНК -ны алу.

3. Рестриктаза ферменттері.

4 Ген инженериясының векторлық молекулалары.

Генетикалық инженерия деп in vitro жағдайында пәрменді генетикалық құрылымдарды (рекомбинантты ДНҚ-ны) құрастыруды және оларды тірі клеткаларға енгізуді түсінеді. Генетикалық инженерия және ген инженериясы тирминдері синоним ретінде қаралғанымен, олардың мағанасы бірдей емес: генетикалық инженерия – генетикамен байланысқан, ал ген инженериясы – тек генге ғана қатысы бар. Рекомбинантты ДНҚ – (рДНҚ) дегеніміз әр текті ДНҚ – лардан құралған (табиғи немесе синтетикалық ДНҚ фрагменттерін әр қилы жалғастыру арқылы) және клеткаларда репликациялана алатын генетикалық құрылымды түсінеді. Бұл арадан, біз бұл терминдердің жалпы анықтамасы бір бағытта екенін байқаймыз. Ген инженериясы мынадай этаптардан тұрады: 1) генді (ДНҚ фрагментін) алу; 2) рекомбинантты ДНҚ молекуласын құрастыру; 3) реципиент клеткасына рекомбинантты ДНҚ молекуласын енгізу; 4) қажет рекомбинантты ДНҚ молекулалары бар клондарды ортадан (бактериялық клеткалардан) табу. Енді ген инженериясы этаптарының әрқайсысымен толығырақ танысайық.

ГЕНДІ АЛУ. Генді алудың үш әдісі бар: табиғи генді тікелей бөлу, химиялық және ферменттік синтез. Бірінші әдісте табиғи генетикалық материалдан арнайы ферменттердің (рестриктазалардың) көмегімен қажет ген “кесіліп” алынды. Генді синтездеудің химиялық әдісі белоктың немесе полипептидтің бірінші құрылымы (амин қышқылдар қатары) белгілі болса қолданылады. Оның генінің нуклеотидтер қатары химиялық жолмен синтезделеді. Берілген нуклеотидтер тізбегі бойынша ДНҚ синтездеу әдісін 1969 жылы индия ғалымы Х.Г.Корана ұсынған болатын. Ашықты тРНҚ – сының гені осылай синдезделді. Бұл ген 77 н.ж. құралған.

Жаңа кДНҚ синтезделіп біткеннен кейін, оны тазалап, ДНҚ-ның екінші тізбегін синтездеу үшін матрица ретінде пайдаланады. Ол үшін ортаға ревертазаны немесе ДНҚ-полимеразаны (бактериялардан алынған) қосады. ДНҚ-ның екінші тізбегі синтезделіп болғаннан кейін, оның алғашқы кДНҚ-сымен қосылған бөлігі (шпилькалы) нуклеаза S1 ферментінің әсері арқылы ажырайды, нәтижесінде қос тізбекті ген алынады, ол қос тізбекті комплементарлы ДНҚ (кт-кДНҚ) деп аталады. РЕСТРИКЦИЯЛЫҚ ФЕРМЕНТТЕР (ЭНДОНУКЛЕАЗАЛАР)

Ген инженериясының қалыптасуына ерекше ферменттер класы – эндонуклеазалардың немесе рестриктазалардың ашылуы зор ықпал етті. Рестрикция ферменттерінің клеткадағы қызметі – бактерияны оған енген бөтен ДНҚ молекуласынан қорғау. Рестрикция тоқтату деген мағынаны білдіреді. Рестрикция ферменттері фагтың нуклейн қышқылын үзіп, оның бактериялық клеткада көбеюіне жол бермейді. Рестрикция ферменттерін синтездейтін клетканың ДНҚ молекуласы эндонуклеазалардың әсерінен үзілмейді, өйткені бұл клеткалар модификациялау ферменттерін синдездейді, олардың әсерінен ДНҚ-ның құрылымы модификацияланады (өзгереді) – ДНҚ-ның репликациясы кезінде рестриктаза танитын бөліктерге метил тобын (СН₃) жалғайды. Метилденген ДНҚ-ны рестриктаза үзе алмайды.Әр тізбекті 3¹- ұшынан 5¹ бағытына қарай көз жүгіртсе, олар бірдей оқылады (ЦЦГГ), міне осындай тізбек палиндром деп аталады. Нәтижесінде ДНҚ-ның қос тізбегі симметриялы үзіледі де (сілтемемен көрсетілген), сақиналы ДНҚ түзу құрылымға айналады. ГЕН ИНЖЕНЕРИЯСЫНЫҢ ВЕКТОРЛЫҚ МОЛЕКУЛАЛАРЫ Ген инженериясының маңызды мақсаты болып алынған генді клеткаға тасымалдау саналады. Бұл мақсат ДНҚ-ның векторлық молекулалары көмегімен іске асады.

Вектор деп бөтен генетикалық материалды клеткаға (реципиенттің) тасымалдауға қабілетті ДНҚ млекуласын айтады. ДНҚ молекуласын векторсыз, мысалы, бактериялық клеткаға енгізе, онда оларды бактериялық ферменттер ыдыратып жібереді. Кейбір жағдайда ДНҚ сақталуы мүмкін, бірақ клетканың бөлінуінде олар тұқым қуаламайды. Осындай жағдай болмас үшін векторлық молекулалар қолданылады. Векторлар – ген тасығыштар, сонымен қатар векторларды рекомбинантты ДНҚ-ның міндетті бөлігі деп түсіну керек. Векторларды эксперименттік жолмен құрастырады және оларға мынадай талаптар қойылады: 1) вектор клетка ішіне өзімен бірге бөтен генді алып кірген соң, репликациялана (көбейе) алатын болуы керек, сонда ғана ген келесі ұрпаққа тұқым қуалай алады, ол үшін векторға ДНҚ репликациясын бастайтын ерекше нуклеотидтер тізбегін енгізеді; 2) құрамында рестриктазалар танып, үзе алатын нуклеотидтер тізбегі болуы керек, әйтпесе векторға ДНҚ фрагментін енгізу мүмкін емес; 3) оның бір немесе бірнеше таңбаланған гендері (маркерлері) болуы керек, сол таңбалар бойынша қажет геннің қайсы клетканың (реципиенттік) ішіне енгенін анықтайды; 4) вектордың клетка ішіндегі көшірмелері жеткілікті мөлшерде болуы керек. Ген инженериясында қолданылатын векторларды үш топқа бөлуге болады: 1) плазмидалар; 2) бактериофагтар; 3) космидтер және фазмидтер. Қазіргі кезде рекомбинантты ДНҚ техлогиясында алғашқы екі векторлар типі жиі пайдаланылады, егер вектор ретінде плазмида қолданылса, онда ген клеткаға трансформация типімен, ал бактериофаг (фаг лямбда) қолданылса, онда ген клеткаға трансдукция типімен енеді.

Вектор ретінде мөлшері 15-20 мың н.ж. дейінгі, көбінесе 2-ден 10мың н.ж. дейін құралған кішігірім плазмидалар қолданылады. Плазмидалар бактериялардың хромосомадан тыс генетикалық элементі екенін және олардың сипаттамасын біз қарастырған болатынбыз. Плазмидалық векторлар генді бактерияларға тасымалдап, оның тиімді жұмысын қамтамасыз ете алады.

Генетикалық инженерияда E.Coli бактериясы үшін көптеген векторлар плазмидалар құрастырылды. Олардың ішінен әсіресе ColEI плазмидасының туындылары кең таралу алды. Ф.Болвар және Р.Родригес құрастырған осындай плазмида – pBR322 төрт мыңнан астам негіздер жұбынан (4362 н.ж.) құралған. Бұл плазмидада антибиотиктер – ампициллин мен тетрациклинге төзімділіктің гендері бар және бірнеше рестриктазалар үзе алатын сайттары (нуклеотидтік нүктелер) бар. Вектор ретінде бактериялармен қатар вирустар да қолданылады. Олардан вектор алу әдістемесі лямбда (λ) фагында жете зерттелген. Лямбда фагтың ДНҚ-сы қос тізбекті және формасы түзу, оның геномы 48,5 мың н.ж. тұрады. Фаг ДНҚ-сының 12 н.ж. құралған комплементарлы жабысқақ ұштары бар. Олар, фаг клеткаға енгеннен кейін бір-бірімен бірігіп, ДНҚ сақиналы формаға ауысады. Сақиналы ДНҚ репликациялық форма болып саналады. Лямбда фагтың ДНҚ молекуласында 60 гендей бар. Космид – лямбда фагтың cos – учаскесі (жабысқақ ұштары) бар плазмида яғни тіршілігі екі жақты ДНҚ-ның гибридтік молекуласы. Космидтің плазмидалық бөлігі оның бактерияларға репликациялануына мүмкіндік береді, ал лямбда фагтың геномына жататын бөлігі – cos тізбек – космидтің фаг капсидінің ішіне in vitro жағдайында оралуына және реципиенттік клеткаға трансдукциялануына мүмкіндік береді. Лигазаның көмегімен қысқа синтетикалық олигонуклеотид вектордың керекті бөлігіне жалғанады. Ол линкер – жалғаулық (ағыл. біріктіру сөзінен) деп аталады. Линкерде әр түрлі бірнеше рестриктазалар үшін тізбектер бар болса, ол полилинкер деп аталады. РЕКОМБИНАНТТЫ ДНҚ МОЛЕКУЛАСЫН ҚҰРАСТЫРУ. Генетикалық инженерияның негізгі мағынасы болып рекомбинантты ДНҚ системасын құрастыру міндетті саналады. Рекомбинантты ДНҚ деп in vitro жағдайында шығу көзі бойынша кез келген екі немесе бірнеше ДНҚ фрагменттерін біріктіру арқылы түзілген ДНҚ-ны түсінеді. Рекомбинантты ДНҚ-ның қарапайым құрамы бөтен ДНҚ мен вектордан тұрады. Рекомбинантты ДНҚ құрастырудың ең кең таралған әдісі рестриктазаларды қолдануға сүйенеді. Ол жабысқақ ұштар әдісі деп аталады. Ген (бөтен ДНҚ үзіндісі) де және вектор да бір рестриктазалық ферменттің көмегімен үзіледі, нәтижесінде олардың ұштары бір-біріне комплементарлы яғни жабысқақ болғандықтан гибридтік (немесе химерлі) ДНҚ молекуласына ДНҚ лигаза ферментінің көмегімен оңай бірігеді. Жабысқақ ұштар әдісі өзі танитын ДНҚбөлігін симметрия өсінен біршама қашықтықтықта үзетін рестриктазаларға сүйенеді. РЕКОМБИНАНТТЫ ДНҚ-НЫ КЛЕТКАҒА ЕНГІЗУ. Гибридті молекулаларды клеткаға енгізу тәсілі векторға байланысты. Егер вектор ретінде плазмида қолданылса, онда енгізу трансформация типімен, егер фаг қолданылса, онда трансфекция (клетканың фагДНҚ-сы арқылы инфекциялануы) типімен өтеді. Трансформация мен трансфекцияның жалпы жолы бактерия клеткасын кальций тұздарымен (CaCL₂) өңдегенде, олардың мембраналарының ДНҚ-ны өткізе алатындығына негізделеді. Экзогенді ДНҚ-ның клеткаға ену тиімділігі төмен. Алдын-ала CaCL₂-мен өңделген клеткаға, мысалы, 1мкг pBR322, плазмидасын қосса, онда әрбір 10⁴ - 10⁵ плазмиданың біреуі ғана клетканың ішіне енеді яғни бактериялардың азғантай бөлігі ғана трансформациялана алады. Оларды басқалардан бөлу бактерия клондарын алу процесінде іске асады.

Негізгі және қосымша әдебиеттер тізімі

Негізгі:

1.Б.Бегімқұлов.Молекулалық генетика және биотехнология негіздері.Алматы .1996.

2. Әбилаев С.А Молекулалық биология және генетика . « Асқаралы», Шымкент 2008

3. Б.Бегімқұлов.Молекулалық генетика негіздері «Фолиант» Астана. 2 009

4.Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М.: Мир, 1978,

5. Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот (под ред. Спирина А.С.). -М.: Высшая школа, 1990.

6. Молекулярная биология: Структура рибосом и биосинтез белка (нод ред. Спирина А.С.)- -М.: Высшая школа, 1996.

7. Степанов В.М.. Молекулярная биология. Структура и функции белков. -М: Высшая школа, 1996.

8. Альбертс Б., Брейм Д., Льюис Дж., Рефф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки в 5-и томах. - М.: Мир, 1994.

Қосымша

9. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. В 2-х томах. -М.: Мир,1998.

10. Уотсон Дж., Туз Дж., Куру Д. Рекомбинантные ДНК. -М.: Мир, 1986.

11. Льюин Б. Гены. -М.: Мир,1987.

12. Зенгбуш П, Молекулярная и клеточная биология в 3-х томах. -М.:

Мир,1982.

13.Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. -М.: НИИ