25. Основы генетической уникальности индивидуума (иммуногенетика). Генетический комплекс гистосовместимости человека (hla). Его значение в трансплантологии.

Иммуногенетика, комплексная научная дисциплина, сочетающая методы иммунологии, молекулярной биологии и генетики для изучения наследственных факторов иммунитета, внутривидового разнообразия и наследования тканевых антигенов, генетических и популяционных аспектов взаимоотношений макро- и микроорганизма и тканевой несовместимости. Начало Иммуногенетика положили работы немецких учёных П. Эрлиха и Ю. Моргенрота, обнаруживших в начале 20 в. группы крови у коз, и открытие К. Ландштейнером групп крови у человека. Термин «Иммуногенетика» предложен американским учёным М. Ирвином в 1930.

Человеческие лейкоцитарные антигены, Система генов тканевой совместимости человека (англ. HLA, HumanLeucocyteAntigens) — группа антигенов гистосовместимости, главный комплекс гистосовместимости (далее MHC) у людей. Представлены более, чем 150 антигенами. Локус, расположенный на 6-й хромосоме содержит большое количество генов, связанных с иммунной системой человека. Этими генами кодируются в том числе и антигенпредставляющие белки, расположенные на поверхности клетки. Гены HLA являются человеческой версией генов MHC многих позвоночных (на них проводилось множество исследований MHC генов).

Роли HLA важны в защите от болезней, могут быть причиной отторжения органов после пересадки, могут защищать от рака или увеличивать его вероятность (если разрегулированы из-за частых инфекций. Они могут влиять на развитие аутоиммунных заболеваний (например, сахарный диабет 1-го типа, целиакию).

В течение долгого времени в качестве идеального критерия для отбора доноров почечных аллотрансплантатов была принята совместимость по HLA-антигенам — главному генному комплексу гистосовместимости (гл. 63). Было показано, что в хромосомах млекопитающих всех изученных видов имеется единственный участок, который кодирует сильные, или главные, трансплантационные антигены. У человека имеется аналогичный 6-й хромосомный участок, называемый HLA. Тем не менее и другие антигены, называемые минорными (второстепенными), могут играть решающую роль, особенно антигены групп крови и эндотелиальный антиген, находящийся в моноцитах периферической крови, но не в лимфоцитах. Данные, указывающие на участок HLA, как на генный участок, кодирующий главные трансплантационные антигены, были получены в результате успешного приживления у реципиентов трансплантатов почек и костного мозга, взятых от доноров-родственников, причем особенно успешные результаты получались у пар донор — реципиент, представляющих собой сингенных сибсов. Тем не менее 10—15% почечных аллотрансплантатов, взятых от сингенных сибсов, часто отторгаются уже в первые недели после трансплантации. Весьма вероятно, хотя и не доказано, что подобные неудачи обусловлены предварительной сенсибилизацией к антигенам, не имеющим отношения к HLA. Антигены, не имеющие отношения к HLA, относительно слабые, и поэтому их можно подавить с помощью обычной иммуносупрессивной терапии. Однако если примирование уже произошло, то вторичные реакции будут намного более устойчивыми. На самом деле несовместимость по антигенам системы АВН представляет опасность вследствие наличия естественных анти-А и анти-В антител.

26.Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала у прокариот и эукариот: генный, хромосомный, геномный. Ген и его свойства. Триплетный код. Внутриклеточная регуляция (гипотеза Жакоба и Моно).

Различают следующие уровни структурно-функциональной организации наследственного материала: генный, хромосомный, геномный.

Элементарной структурой ГЕННОГО уровня организации служит ген. На этом уровне изучается структура молекулы ДНК, биосинтез белка и др. благодаря относительной независимости генов возможно дискретное (раздельное) и независимое наследование (3 закон Менделя) и изменение (мутации) отдельных признаков. Гены клеток эукариот распределены по хромосомам, образуя ХРОМОСОМНЫЙ уровень организации наследственного материала. Этот уровень организации служит необходимым условием сцепления генов и перераспределения генов родителей у потомков при половом размножении (кроссинговер).

Вся совокупность генов организма в функциональном отношении ведет себя как целое и образуя единую систему, называемую ГЕНОМОМ. Один и тот же ген в разных генотипах может проявлять себя по-разному. Геномный уровень организации объясняет взаимодействие генов как в одной, так и в разных хромосомах.

В 1928 году Н. К. Кольцов предположил, что химическую основу гена составляет белковая молекула. Однако, в дальнейшем было доказано, что носителем генетической информации является молекула ДНК; были открыты явления трансформации и трансдукции у микроорганизмов и конъюгация.

ТРАНСФОРМАЦИЯ - это способность одного штамма бактерий встраивать участки молекулы ДНК другого штамма и приобретать при этом свойства последнего (опыты Ф. Гриффита с вирулентными и невирулентными штаммами пневмококков).

ТРАНСДУКЦИЯ - это способность бактериофагов переносить фрагменты ДНК от одного штамма бактерий к другому и передавать соответствующие свойства.

Так, с открытием явлений трансформации и трансдукции у микроорганизмов, была доказана роль ДНК в передаче наследственной информации.

Таким образом, в начале 50-х годов было доказано, что материальной единицей наследственности и изменчивости является ген, который имеет определенную структурно-функциональную организацию. По современному определению ген - это участок молекулы ДНК, детерминирующей синтез определенного полипептида.

Прежде считалось, что генетическая трансформация свойственна только одноклеточным. В настоящее время установлено, что явления, напоминающие генетическую трансформацию, могут происходить и в клетках эукариот. Так, в результате взаимодействия некоторых вирусов с клетками животных, последние подвергаются трансформации. Полученная ими новая генетическая информация передается дочерним клеткам. Например, перенос фрагмента плазмиды Ti из бактериальной клетки онкогенного штамма в растительную клетку ткани табака и последующее его копирование в клетках опухоли. При культивировании клеток мыши в среде с изолированными хромосомами клеток человека выделили потомство клеток с маркерами последнего.

Половой процесс у бактерий, при котором осуществляется перенос генетической информации, называется КОНЪЮГАЦИЕЙ.

Молекулярные основы наследственности изучает специальный раздел генетики, получивший название "молекулярная", который сформировался в 40-50 годах 20 века в результате использования идей и методов физики и химии для решения генетических проблем. Исходя из данных молекулярной генетики, стало возможным говорить об уровнях наследственного материала у про-и эукариот: - генном, хромосомном и геномном. Генный уровень связан с успехами хромосомной теории. В абстрактное понятие "ген" введенное в генетику В. Иогансеном в 1909 г. вкладывалось следующее содержание: ген это материальная частица, лежащая в хромосоме, способная к саморепродукции и являющаяся минимальной единицей рекомбинации, мутации и генетической функции.

Мендель предложил обозначить наследственные задатки (гены) буквами латинского алфавита. Гены, от которых зависит развитие альтернативных признаков называется аллеломорфными (аллельными). Аллельные гены расположены в одинаковых локусах гомологичных хромосом и имеют 2 состояния - доминантное и рецессивное.

В связи с успехами молекулярной генетики старые представления о гене подверглись существенному пересмотру. Согласно современным, уточненным представлениям, ГЕН - это участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты, характеризуемый специфичной для него последовательностью нуклеотидов, представляющей единицу функции, отличной от функции других генов и способный изменятся путем мутирования.

Наиболлее четко дискретность гена была изучена американским генетиком С. Бензером на примере исследований тонкой структуры генов фага Т4 кишечной палочки. Им было показано, что ген может быть разделен кроссинговером на множество частей. Дискретная организация генов была установлена и у эукариот.

В конце 50-х годов Бензер предполагал, что ген одновременно является целостной и дискретной единицей. При выполнении основной функции - программировании синтеза белка - ген выступает как целостная единица, изменение которой вызывает изменение структуры белковой молекулы. Эту единицу Бензер назвал ИНТРОНОМ. По величине он примерно равен гену. Дискретность гена заключается в наличии субъединиц. Элементарная единица изменчивости, единица мутации названа МУТОНОМ, а единица рекомбинации - РЕКОНОМ. Минимальные размеры мутона и рекона равны 1 паре нуклеотидов и называются САЙТ. Таким образом, САЙТ - это структурная единица гена.

В связи с выяснением сложной структуры генов было дифференцированно понятие аллелизма. Различают два вида аллелей: гомо - и гетероаллели. Гомоаллели (изоаллели) - это различие между аллелями, которые касаются только одного сайта ("сайт" от англ. site местоположение) - отрезка гена, который изменен произошедшей мутацией. Гетероаллели - это аллели, у которых различия касаются разных сайтов.

Размеры генов различны. Число пар нуклеотидов в структурном гене, по-видимому, составляет около тысячи. Самые короткие известные структурные гены - гены транспортных РНК - содержат более 190 нуклеотидных пар, а самые крупные (например, ген фибрина шелка тутового шелкопряда) достигает размера более 16 тыс.пар нуклеотидов.

Ген — структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой участок ДНК, задающий последовательность определённого полипептида либо функциональной РНК. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. При этом некоторые органеллы (митохондрии, пластиды) имеют собственную, определяющую их признаки ДНК, не входящую в геном организма.

Свойства гена

	Свойства		Сущность
Дискретность		Ген обособлен в своей функциональной активности от других генов (несмешиваемость генов)
Специфичность		Каждый ген кодирует свой молекулярный продукт - белок или РНК
Стабильность		Способность сохранять свою нуклеотидную последовательность, т.е. молекулярную форму
Лабильность		Способность многократно мутировать, т.е. изменять молекулярную форму
Множественный аллелизм		Ген может иметь несколько молекулярных форм (множество аллелей), но из них в генотипе диплоидного организма может быть только два аллеля
Амплификация		Способность к увеличению количества своих копий в геноме
Плейотропия		Множественный фенотипический эффект действия одного гена
Экспрессивность		Степень фенотипического проявления гена
Пенетрантность		Частота (%) проявления гена в популяции

Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

Триплетный код — генетический код, в кото­ром каждая аминокислота полипептидной цепи определяется группой из трех нуклео­тидов ДНК.

Свойства генетического кода

Свойства

Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует двеаминокислоты — цистеин и селеноцистеин)

Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).

Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

Внутриклеточная регуляция (гипотеза Жакоба и Моно)

Ф. Жакоб и Ж. Моно выдвинули в 1961 году гипотезу оперона. По этой схеме гены функционально неодинаковы. Один из них  - структурный ген, содержит информацию о расположении аминокислот в молекуле белка фермента, другие выполняют регуляторные функции, оказывающие влияние на активность структурных генов – гены – регуляторы. Структурные гены располагаются рядом и образуют блок – оперон. Они программируют синтез ферментов. Кроме того в оперон входят участки, относящиеся к процессу включения транскрипции. Вся группа генов одного оперона функционирует одновременно, поэтому ферменты одной цепи реакции либо синтезируются все, либо не синтезируется ни один из них. В самом начале структуры оперона находится ген – оператор, который включает и выключает структурные гены. Оператор контролирует ген – регулятор. Ген-регулятор кодирует синтез белка-репрессора. Репрессор  в активной форме блокирует транскрипцию, считывание генетической информации прекращается и весь оперон выключается. До тех пор, пока репрессор связан с геном-оператором, оперон находится в выключенном состоянии.  При переходе в неактивную форму ген-оператор освобождается, происходит включение оперона и начинается синтез соответствующей РНК с последующим процессом синтеза ферментов.  Оперонная система представляет собой один из механизмов регуляции синтеза белка.

Дифференцировка клеток и избирательная активность генов.

До стадии бластулы все клетки тотипотентны – стволовые. Со временем тотипотентность снижается и появляются полипотентные (способны превращаться только в определенную ткань).   У взрослых особей также сохраняется часть стволовых клеток.

В ядрах дифференцированных клеток большинство генов находится в репрессивном состоянии, число же активно работающих генов различно в различных тканях и органах на разных стадиях развития.

У эукариот существует путь регулирования генной активности – одновременное групповое подавление активности генов в целой хромосоме или ее большем участке. Это осуществляется белками-гистонами.

27. Ген – функциональная единица наследственности. Молекулярное строение у прокариот и эукариот. Гипотеза – «Один ген – один фермент», ее современная трактовка.

• Ген (греч. генос– род, происхождение) – это элементарная функциональная единица наследственности, определяющая развитие признака

• Ген – это фрагмент молекулы ДНК, кодирующий:

-структуру белка,

-рРНК

-или тРНК

• Наследование признаков в ряду поколение обеспечивается передачей генов

Ген имеет экзон-интронную организацию

Ген – информационная структура, состоящая из ДНК, реже РНК, и опреднляющая синтез молеул РНК одного из типов: иРНК или рРНК, посредством которых осуществляется метаболизм, приводящий в конечном итоге

Оператор вместе с цистроном составляет оперон.

Промотор – определяет место прикрепления ДНК-полимеразы и он является началом гена, определяет ДНК-матрицу, с которой будет считываться информация.

Цистрон – несет генетический код. С него снимается информация на информационную РНК (матричную). Цистрон неоднороден. Состоит из экзонов (несущих генетическую информацию) и интронов (не несущих генетической информации участков).

У прокариот в случае гибели экзона его заменяет соответствующий интрон (Э1 заменяется И1). У эукариот этот факт не установлен.

Именно цистрон определяет последовательность аминокислот в каждом специфическом белке. Цистрон, в свою очередь, подразделяется на предельно малые в линейном измерении единицы - реконы, способные к рекомбинации при кроссинговере. Выделяют, кроме того, мутоны - наименьшие части гена, способные к изменению (мутированию). Размеры рекона и мутона могут равняться одной или нескольким парам нуклеотидов, цистрона - сотням и тысячам нуклеотидов.

Прокариоты — доядерные ор­ганизмы, не имеющие типичного ядра, заключенного в ядерную мембрану. Генетический материал представлен единственной нитью ДНК, образующей кольцо,—генофором. Деление клетки толь­ко амитотическое. В клетке прокариотов отсутствуют митохондрии, центриоли, пластиды, развитая система мембран.

Эукариоты — ядерные орга­низмы, имеющие ядро, окруженное ядерной мембраной. Генетический ма­териал сосредоточен преимущественно в хромосомах, имеющих сложное строе­ние и состоящих из нитей ДНК и бел­ковых молекул. Деление клеток митотическое. Имеются центриоли, митохонд­рии, пластиды. Среди эукариотов су­ществуют как одноклеточные, так и многоклеточные организмы.

Гипотеза один ген - один полипептид (белок)

onegene - onepolypeptidehypothesis - теория (гипотеза) “один ген - один полипептид (белок)”.

Концепция, возникшая на базе теории “один ген - один фермент”, предполагающая, что каждый ген может кодировать только одну полипептидную цепь, которая, в свою очередь, может входить как субъединица в более сложный белковый комплекс; теория выдвинута Г.Бидлом и Э.Татумом в 1941 на основании генетико-биохимического анализа нейроспоры, они обнаружили выключение в экспериментальных условиях под действием различных мутаций каждый раз только одной какой-либо цепи биохимических реакций (в 1958 Г.Бидл и Э.Татум были удостоены за эти работы Нобелевской премии); в 80-х гг. появились работы, в которых высказывались сомнения в абсолютной справедливости данной теории в связи с открытием системы “два гена - один полипептид” <oneenzyme - twogenestheory> (не исключается и система “один ген - два полипептида”), а также с существованием перекрывающихся генов <overlappinggenes>; с функциональных позиций данная теория условна в связи с нахождением многофункциональных белков <multifunctionalprotein>.