5. Комплементарность. Эффект положения.

Комплементарность (новообразование при скрещивании). Это такая форма взаимодействия неаллельных генов, когда признак развивается при одновременном присутствии в генотипе двух доминантных неаллельных генов. Каждый из этих генов не имеет самостоятельного проявления по данному признаку.

Например: нормальный слух у человека развивается в том случае, если в генотипе присутствует два доминантных неаллельных гена "А" и "В".

ААВВ, АаВв, ААВв, АаВВ – нормальный слух.

ААвв, Аавв, ааВВ, ааВв, аавв – глухота.

Эффект положения – взаимодействие неаллельных генов, обусловленное их положением в одной хромосоме. Гены, находящиеся рядом с данным геном, взаимодействуют с ним, при этом может изменяться фенотипическое проявление данного гена. Например, мобильные генетические элементы (прыгающие гены) могут оказаться рядом со структурным геном, и изменить его активность (повысить или понизить).

6. Полимерия. Полигенное наследование как механизм наследования коли­чественных признаков.

Полимерия – явление, когда несколько неаллельных доминантных генов отвечают за развитие одного признака. Т.к. признак один и тот же, то эти гены обозначают одинаковой буквой, но с разными индексами: А₁А₂А_{3 ……}Аn.

Полимерия – это явление полигенной наследственности. По такому типу наследуются количественные признаки (рост, телосложение, цвет кожи, умственные способности). Чем больше доминантных генов, тем ярче выражен признак в фенотипе.

Так окраска кожи человека определяется четырьмя доминантными аллелями "Р": Р₁ Р₂ Р₃ Р₄ .

Генотип негра: Р₁Р₁Р₂Р₂Р₃Р₃Р₄Р₄

Генотип белокожего человека: Р₁Р₁Р₂Р₂Р₃Р₃Р₄Р₄

Генотип мулата: Р₁Р₁Р₂Р₂Р₃Р₃Р₄Р₄

7. Количественная и качественная специфика проявления генов в призна­ках: пенетрантность, экспрессивность, поле действия гена, плейотро­пия, генокопии.

Фенотипическое проявление гена в признак зависит от состояния генотипа и условий внешней среды.

Поэтому у одних организмов признак может быть ярко выражен, а у других этот же признак менее ярко выражен. В связи с этим в генетику вводится понятие экспрессивность и пенетрантность при характеристике фенотипического проявления генов.

Экспрессивность – это степень выраженности гена в фенотипе носителей данного аллеля. Это качественный показатель работы гена. Экспрессивность может быть полной или изменяющейся. Так у желтого гороха при ряде заболеваний окраска венчика выражена сильнее или слабее.

Пенетрантность – это степень проявления гена в признак. Это количественный показатель, он выражается в проценте особей, у которых данный ген проявляется в признак.

Поле действия гена.

Если поле действия гена широкое, то ген может отвечать за несколько признаков или отвечать за один признак, но влиять на проявление в фенотипе другого признака. Если поле действия гена узкое, то ген отвечает за один признак.

Плейотропия, или множественное действие гена.

Наряду с явлением взаимодействия генов есть много при­меров влияния одного и того же гена на проявление разных признаков.

У человека есть ген, определяющий рыжую окраску волос. Этот же ген обуславливает более светлую окраску кожи, а также появление веснушек. У больного болезнью Марфана (доминантный ген 15 хромосомы) отмечается совокупность аномалий, контролируемых одним и тем же геном: длинные, слегка согнутые пальцы, подвывих хрусталика, высокий свод стопы, впалая грудная клетка, хриплый голос и др. В основе множественного действия гена лежит его раннее проявление в онтогенезе.

Генокопии – это ряд сходных по внешнему проявлению признаков, которые обусловлены различными неаллельными генами.

Фенилкетонурия возникает при дефиците синтеза двух ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию превращения фенилаланина в тирозин. Синтез ферментов (фенилаланингидроксилаза и дегидроптеридинредуктаза) контролируется разными генами, а фенотипическое проявление болезни одинаковое.

Крыс до 50-х годов прошлого века успешно травили зоокумарином. В результате ряда мутаций у них появились 7 разных генов (7 генокопий), обеспечивающих устойчивость крыс к зоокумарину.

8. Общая характеристика генотипа человека.

В генотипе постоянно происходит:

• взаимодействие аллельных генов (полное доминирование, неполное доминирование, кодоминирование, множественный аллелизм, межаллельная комплементация)

• взаимодействие неаллельных генов (эпистаз, комплементарность, полимерия)

• отмечается явление плейотропии и эффекта положения генов

Таким образом, мы можем сделать вывод, что генотип человека – это не россыпь отдельных генов, а целостная система взаимодействующих генов, которая сформировалась в ходе эволюции.

ЛЕКЦИЯ 8 Молекулярные основы наследственности.

1. Кодирование биологической информации в клетке. Кодовая система ДНК.

В 1953 году была расшифрована пространственная структура ДНК. Возник вопрос: если ДНК отвечает за наследственные признаки то, как закодирована в ДНК наследственная информация о признаках и свойствах организма, т.е. о белках.

В 1961 году Ф. Крик ввел понятие генетического кода и охарактеризовал его свойства.

Генетический код – это принцип записи наследственной информации о последовательности аминокислот в белке, через последовательность нуклеотидов в ДНК.

Генетический код обладает несколькими свойствами:

1. триплетность. Структура белка определяется последовательностью аминокислот. Последовательность аминокислот в белке кодируется последователь­ностью нуклеотидов в ДНК.

В состав белков организмов входят 20 аминокислот, а нуклеотидов всего четыре, следовательно, для кодирования всех аминокислот необходимо сочетание нуклеотидов. Пары нуклеотидов дадут возможность кодирования 16 (4²) аминокис­лот. Тройки нуклеотидов (триплет, или кодон) позволяют получить 64 (4³) комбинации, что достаточно для кодирования всех аминокислот.

2. вырожденность. Раньше считали, что каждая аминокислота кодируется своим кодоном, тогда получалось, что 44 кодона (64-20 = 44) являются лишними. Оказалось, что одним кодоном кодируются только две аминокислоты (метионин и триптофан), остальные кодируются 2,3,4,6 кодонами. Так аминокислоты лейцин, серин, аргинин кодируются шестью кодонами каждая. Такие кодоны называются кодоны – синонимы. Кодирование одной аминокислоты несколькими кодонами и есть вырожденность.

Всего в кодировании занят 61 кодон. Три кодона: АТТ, АТЦ, АЦТ кодируют не аминокислоты, а окончание записи информации о первичной структуре белка в молекуле ДНК (как точка в конце предло­жения). Это стоп – кодоны, которые являются последним кодонами гена. Когда стоп-кодоны перепишутся на и-РНК, они будут выглядеть так: УАА, УАГ, УГА. Теперь они будут означать окончание синтеза белка.

3. неперекрываемость – последний нуклеотид предыдущего триплета не явля­ется началом следующего триплета

4. без запятых – за одним кодоном идет следующий кодон, между кодонами нет промежутков и нет одиночных оснований

5. специфичность – каждый кодон кодирует только одну ами­нокислоту

6. универсальность – сущность кодирования одинакова от бак­терий до человека. Кроме ДНК мито хондрий и пластид, ресничных простейших и микоплазмы (бактерии, не имеющие клеточной стенки).

2. Реализация биологической информации в клетке. Транскрипция. Феномен сплайсинга.

Центральная догма биологии выглядит так:

транскрипция трансляция

ДНК РНК белок функция

процессинг

Транскрипция – синтез матричной (информационной) РНК на матрице ДНК.

Или: перенос генетической информации с ДНК на матричную РНК (мРНК)

Трансляция – декодирование мРНК, при этом информация с языка последовательности нуклеотидов переводится на язык последовательности аминокислот в белке.

Транскрипция это сложный процесс, который требует участия большого числа транскрипционных факторов и ферментов. Основной фермент транскрипции, называется РНКполимераза.

Особенности РНКполимераз:

1. основой РНКполимеразы являются нуклеотиды АТФ, ЦТФ, ГТФ и УТФ

2. РНКполимераза способна расплетать ДНК

3. для начала синтеза мРНК не требуется затравка

4. РНКполимеразы не имеет корректирующей активности (при синтезе мРНК она делает одну ошибку на 10⁴ оснований, при репликации ДНКполимераза делает одну ошибку на10⁷ оснований)

5. во время синтеза мРНК только часть молекулы спарена с ДНК.

Выделяют 3 этапа транскрипции: стадия инициации, стадия элонгации, стадия терминации.

І. Стадия инициации.

РНКполимераза связывается с промотором (специфическая последовательность нуклеотидов перед геном).

Промотор – регуляторная последовательность в 5' области гена, определяющая место прикрепления РНКполимеразы к ДНК. В промоторе имеется две последовательности, играющие важную роль в инициации транскрипции. Эти последовательности называются ТАТА-бокс и домен ЦААТ. С ними связываются специфические белки, после чего промотор отмечает для РНКполимеразы место начала транскрипции. Это место называется стартовая точка. Именно здесь РНКполимераза расплетает ДНК на участке длиной 10-20 нуклеотидов.

ІІ стадии элонгации (удлинения).

РНК-полимераза движется вдоль этого участка, синтезируя молекулу мРНК. Молекула мРНК собирается по принципу комплементарности из свободных нуклеотидов за счёт образования между ними диэфирных связей.

Ц_ДНК  Г _РНК

Г_ДНК  Ц_РНК

Т_ДНК  А_РНК

А_ДНК  У_РНК

ІІІ. Стадия терминации. Синтез РНК продолжается до тех пор, пока РНК-полимераза не достигнет особой последовательности нуклеотидов, которая называется терминирующий сигнал транскрипции или терминатор. На этом транскрипция заканчивается, молекула и-РНК освобождается, двойная спираль ДНК восстанавливается.

Последовательность ДНК, транскрибируемая в одну молекулу мРНК, называется транскриптон, или транскрипционная единица. Транскриптон начинается промотором и заканчивается терминатором, он может включать в себя либо один ген, либо несколько генов.

У прокариот существует 1 вид РНКполимеразы.

У эукариот существует 3 вида РНКполимеразы.

РНКполимераза 1 – отвечает за синтез 5,8S рРНК, 18S рРНК, 28S рРНК. Она находится в ядрышке.

РНКполимераза 2 – отвечает за синтез мРНК, мяРНК, мкРНК, миРНК. Она находится в цитоплазме.

РНКполимераза 3 – отвечает за синтез 5S рРНК, тРНК, часть мяРНК и другие малые РНК. Она находится в рибосомах.

(мяРНК – малые ядерные РНК; мкРНК – микроРНК, миРНК – малые интерферирующие РНК).

В результате транскрипции образуется первичный транскрипт мРНК (незрелая мРНК, преРНК).

Транскриптом – совокупность всех транскриптов, синтезируемых одной клеткой, включая мРНК и некодирующие РНК.

У прокариот первичный транскрипт мРНК сразу становится матрицей для синтеза белка.

У эукариот первичный транскрипт мРНК, находясь в ядре клетки, подвергается процессингу. Процессинг – формирования зрелых мРНК из первичных транскриптов.

Он включает три процесса: кэпирование, сплайсинг, полиаденилирование.

Кэпирование

После транскрипции более 20 первых нуклеотидов к 5' концу мРНК присоединяется метилированный гуанилового нуклеотида. Нуклеотид связывается 5' – 5' фосфодиэфирной связью с исходным 5' концом мРНК (обратная ориентация).

Значение кэпирования:

1. обеспечивает дальнейшую элонгацию

2. защищает транскрипт от разрушения ферментами (5'экзонулеазами) благодаря 5' – 5' связи

3. способствует дальнейшему процессингу (обеспечивает сплайсинг и полиаденилирование)

4. транспорт мРНК из ядра в цитоплазму

5. обеспечивает связывание мРНК с рибосомой

Сплайсинг – это вырезание интронов из молекулы мРНК и сшивание экзонов при помощи ферментов лигаз. Эти ферменты ориентируются на пары нуклеотидов (ГУ и АГ), которые ограничивают с обеих сторон каждый интрон. Сплайсинг происходит с участием мультимолекулярного комплекса – сплайсосомы, в который входят белки и малая ядерная РНК. Именно малая я-РНК узнаёт нуклеотиды, ограничивающие интрон.

При нарушении сплайсинга возникают наследственные заболевания. Например, фенилкетонурия возникает при нарушении сшивания 13 и 14 зкзонов в гене фермента фенилаланингидроксилазы.

Альтернативный сплайсинг – это форма сплайсинга, при которой соединение экзонов в процессе созревания мРНК происходит в разных комбинациях.

Альтернативный сплайсинг обеспечивает кодирование одним геном различных белков. Он обеспечивает эффективный и экономичный способ кодирования множества белков ограниченным числом нуклеотидов. В организме человека функционирует примерно 300.000 белков (а может и 500.000), их совокупность называется протеом. В то же время генов, которые кодирует эти белки примерно 22-24.000. Более 70% генов человека подвергаются альтернативному сплайсингу.

Полиаденилирование – к 3' концу молекулы мРНК присоединяется от 100 до 200 остатков адениловой кислоты. Образуется поли-А-участок. Этот участок стабилизирует молекулу мРНК, и способствует ее выходу из ядра в цитоплазму.

В результате процессинга в ядре формируется зрелая молекула мРНК, которая перемещается из ядра в цитоплазму для синтеза белка. Только 3–5% зрелых мРНК попадают в цитоплазму, остальные разрушаются в ядре.

Итак, зрелая мРНК эукариот имеет следующее строение.

Кэп 5' нетранслируемая область АУГ транслируемая область УГА 3'нетранслируемая область ААААА

У эукариот происходит процессинг рРНК и тРНК. Процессинг рРНК осуществляется путём выщепления трёх типов РНК, а процессинг тРНК – путём разрезания первичного транскрипта и подравнивания.