Лекция №3 . Лечебный факультет.
Геном. Сравнительная геномика: геном вирусов, прокариот и эукариот.
Геном
|
Термин «геном» был введен в 1920 г. немецким ботаником Гансом Винслером для обозначения генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом. В настоящее время геномом называют всю ДНК в гаплоидном наборе хромосом и ДНК митохондрий и пластид. Ядерная ДНК высших эукариот лишь в небольшой части представлена генами. Например, у человека только 2-3 % генома приходится на гены. Геномы вирусов, прокариот и эукариот имеют сходные черты организации и одновременно принципиально отличаются. Основная функция генома – обеспечение жизнедеятельности клеток, тканей и органов, и передача информации о наследственных признаках и свойствах организма следующему поколению. Геномы отличаются полиморфизмом, т.е. разнообразием строения и числа генов.
|
Видоспецифичность генома
|
Геном каждого вида специфичен, т.е. имеет гены, характерные только для этого вида и в то же время содержит гены такие же, как у родственных и предковых видов. |
Геном вирусов
|
Геном вирусов представлен одной молекулой ДНК или РНК, реже двумя молекулами РНК. Различают цельный и фрагментированный (каждый фрагмент из одного гена) геномы. Нуклеиновые кислоты могут быть однонитчатыми, двунитчатыми, линейными, кольцевыми. Гены кодируют белки капсид, ферменты, регуляторы. Регуляторные последовательности: промоторы, операторы, терминаторы. У вирусов особые транскрипция и трансляция, поэтому небольшое число генов кодирует множество белков. |
Геном бактерий.
Геном эукариотов.
Хромосомный уровень организации генома эукариот.
Хроматин
Конститутивный гетерохроматин
Факультативный гетерохроматин
Эухроматин
Хромосомы
Организация хромосомной ДНК эукариот
Мультигенные семейства.
Митохондриальная ДНК эукариот
|
Практически целиком на 85 – 90% состоит из генов, входящих в состав нуклеотида и плазмид, а также в геном входят мигрирующие (мобильные) генетические элементы такие, как ретротранспозоны и транспозоны. Геном бактерий содержит меньше нуклеотидов, чем у эукариот и начинается от 0,6x10⁶ п.н. у микоплазмы и включает приблизительно 470 генов. У большинства прокариот нуклеоид или бактериальная хромосома состоит из двуцепочечной кольцевидной сверхспирализованной ДНК, связанной с белками и лишь у некоторых бактерий хромосома линейная. У ДНК очень высока плотность генов. Для ДНК характерна оперонная организация и в структурных генах отсутствуют интроны. ДНК бактерий находится в функционально активном состоянии. Плазмиды- короткие, несвязанные с белками, кольцевидные ДНК, содержат гены, кодирующие мембранные белки, гены определяющие устойчивость к антибактериальным препаратам и ряд других. Менее 1% ДНК прокариот представлена в виде транспозонов, которые могут перемещаться по геному. К мобильным элементам прокариот относятся и ретротранспозоны вирусного и невирусного происхождения.
Эукариотический геном значительно больше по своим размерам, чем геном прокариотов. Так размер генома прокариотов не больше 8x106 п.н., в то же время у одноклеточных дрожжей он равен 1,35 x107у шелкопряда 5x108 , у мыши и человека 3x109. Размер генома возрастает пропорционально увеличению сложности организмов и лежит в основе появления насекомых, амфибий, птиц и млекопитающих. При этом размер генома не прямо зависит от систематического положения организма. Начиная с млекопитающих размер генома от сложности организации видов не зависит. Большая часть генома эукариот приходится на хромосомы и заключена в ядре, и меньшая часть на митохондриальную и пластидную ДНК.
Хромосомная ДНК ассоциирована с большим количеством гистоновых и негистоновых белков, причем гистоны играют главную роль в организации хромосом. В хроматине ДНК деспирализована и распределена по независимым участкам (доменам) в примерно 85 тыс.п.н. Определенными последовательностями или сайтами ДНК прикреплена к ядерному матриксу, и считается что это фиксация необходим для транскрипции и репликации.
В 1928 году Э.Хайц более конденсированные участки ДНК назвал гетерохроматином, а неконденсированные эухроматином. Гетерохроматин одна из характеристик генома эукариот,он генетически не активен, так как либо не содержит гены , либо активность расположенных в нем генов подавлена. Выделяют конститутивный и факультативный гетерохроматин.
Конститутивный воспроизводится, наследуется, но не функционирует, расположен в прицентральных и теломерных (на концах) участках хромосом сателлитной ДНК, в самостоятельной ДНК и состоит из различных повторов участков ДНК. Большая часть У-хромосомы млекопитающих представлена инертным гетерохроматином.
Факультативный содержит гены, которые неактивны в данных клетках или в определенные периоды жизни клетки или организма. Могут быть инактинированны некоторые участки хромосом или целые хромосомы, например одна из х-хромосом у самок млекопитающих, и даже может быть инактивирован один гаплоидный набор хромосом.
Это активно функционирующий хроматин. В ядрах имеет более светлую окраску. Он состоит в основном из генов с уникальными последовательностями нуклеотидов.
Каждая хромосома имеет индивидуальную линейную ДНК. Число, размеры хромосом, положение центромеры видоспецифичны и определяют кариотип. В метафазных хромосомах петли сверхспирализованой ДКН прикрепляются к каркасу из негистоновых белков. Каждая митотическая хромосома обладает своеобразной ультраструктурой. При дифференциальном окрашивании каждая отдельная хромосома отличается от других по характерному окрашиванию отдельных участков ( паттернов ). На концах каждой хромосомы имеются теломеры, которые имеют особую повторяющуюся нуклеотидную последовательность. Особое строение имеют хромосомы политенные и типа ламповых щеток.
80 – 90% наследственного материала хромосом у эукариот составляет молчащая или избыточная ДНК, которая воспроизводится, но никогда не транскрибируется. Кроме того, не все транскрибируемые участки ДНК транслируются. Транскрибируемая часть генома эукариот содержит уникальные последовательности нуклеотидов, так у человека их примерно 20 – 30% генома. Только для эукариотов свойственны повторяющиеся последовательности или повторы. В пределах одного таксона более крупные геномы отличаются не числом генов, а большим количеством повторов участков ДНК. К тандемным высокоповторяющимся относятся гены рибосомальной РНК. Большинство повторов не являются генами. Рассеянные повторы длинные (Line) и короткие (Sine) относятся к мобильным элементам ( ретротранспозоны и транспозоны). Сателлитная ДНК – это фракция ДНК и состоит из коротких многократно повторяющихся последовательной нуклеотидов. Повторы в сателлитной ДНК видоспецифичны.
Это группа функциональнородственных генов (или кластеры), имеющих сходную структуру и происхождение. Например: гены рибосомной РНК, иммуноглобулиновые гены, α и ß глобиновые гены.
Митохондриальная ДНК – двуцепочная кольцевая молекула, не связана с белками и у разных видов имеет отличное число нуклеотидов ( дрожжи 75 тыс.п.н., человек, лишь ~ 16 тыс.п.н.).Для большинства организмов отсутствуют интроны. ДНК-повторы сходны с прокариотами генетический код имеет некоторые отличия. Митохондриальная ДНК содержит гены кодирующие нРНК, tРНК и некоторых полипептидов митохондрий. Большинство белков органеллы кодируются ядерными генами. |