Osnovy_molekuljarnoi_genetiki

Сколько всего п. н. в гене р-глобина?

Задание 34

Транскрипция.

Транскрипция слагается из трех основных этапов: инициация, элонгация и терминация.

Инициация: РНК-полимераза «узнает» свой промотор и присоединяется к

нему.

Элонгация: РНК-полимераза движется по одной из цепей ДНК (гена) и синтезирует иРНК.

Терминация — окончание транскрипции.

Как называется цепь ДНК, которая служит матрицей для синтеза иРНК? В каком направлении растет цепь иРНК? Нуклеотиды какой зоны гена транскрибируются первыми? На каком этапе транскрипции устанавливается рамка считывания? Какой фермент осуществляет эту функцию? В виде каких химических соединений присоединяются нуклеотиды в процессе транскрипции?

Задание 35

Рамка считывания.

У больных одной из форм р-талассемии (основной симптом — анемия) в гене р-глобиновой цепи гемоглобина человека в 41-м триплете обнаружена микроделеция цитозина:

...АГГ ТТЦ ТТТ ГАГ ТГГ ТТТ...

40 41 \ 42 43 44 45

Напишите последовательность нуклеотидов иРНК и АК в р-глобине в норме и при сдвиге рамки считывания в результате выпадения цитозина в триплете 41.

Задание 36

Прямая транскрипция.

Прямая транскрипция характерна для большинства генов эукариот, прокариот и ДНК-вирусов.

Дан фрагмент кодирующей зоны гена инсулина человека: 3' ...ЦЦАТААЦЦАЦТТ... 5' <- цепь А 5' ...ГГТАТТГГТГАА... 3' <- цепь Б

Предположим, на Б-цепи находится промотор. На каком конце (5'- или 3'- ) Б-цепи должен находиться промотор? Какая из цепей ДНК является матрицей для иРНК? Напишите нуклеотидный состав иРНК, образовавшийся в результате транскрипции с данного фрагмента ДНК. Обозначьте на иРНК 5'- и 3'-концы. Укажите направление синтеза иРНК и направление транскрипции на матрице ДНК.

Что называют прямой транскрипцией? Какой фермент обеспечивает прямую транскрипцию? Где в эукариотической клетке происходит транскрипция? Какие функциональные зоны гена эукариот транскрибируются, какие — не транскрибируются?

Задание 37

Встречная транскрипция.

Дан фрагмент ДНК:

3' ...ГГЦАГЦААТ... 5' <- цепь А 5' ...ЦЦГ ТЦГ ТТА... 3' <- цепь Б

На каких концах А и Б-цепей должны находиться промоторы, если в этом фрагменте ДНК возможна встречная транскрипция?

Напишите нуклеотидный состав иРНК, транскрибированных с обеих цепей. Обозначьте на них 3'- и 5'-концы. Напишите аминокислотный состав трипептидов, закодированных в данном фрагменте ДНК. В чем биологический смысл встречной транскрипции? Для каких генов характерна встречная транскрипция (задание 45)?

Задание 38

«Внутри гена есть ген».

У эукариот, как правило, один ген кодирует только один белок («внутри гена нет гена»). При этом матрицей для иРНК является только одна цепь (кодогенная) ДНК. Вторая — замыкающая, не транскрибируется. Исключением из этого правила (рис. 6) является, например, ген фактора VIII (Ф.УШ) свертывания крови (26 экзонов, 25 интронов, самый крупный интрон — 39 т. п. н.). Кодогенная цепь гена Ф.УШ является матрицей для иРНК Ф.УШ. В замыкающей цепи в самом крупном интроне обнаружены 'нуклеотидные последовательности, кодирующие фермент матуразу, — необходим для нормального сплайсинга («сшивания») экзонов в процессе созревания иРНК Ф.УШ.

Предположим, что Б-цепь ДНК является кодогенной для гена Ф.УШ. Определите, где находится в этом случае промотор гена Ф.УШ. Укажите

стрелкой направление транскрипции кодогенной цепи гена Ф.УШ. В какой цепи находится ген мату-разы? Укажите локализацию его промотора, обозначьте стрелкой направление транскрипции с этой цепи.

Как называется транскрипция, если транскрибируются две комплементарные цепи ДНК?

Задание 39

Обратная транскрипция.

Обратная транскрипция (О.Т.) характерная для РНК-вирусов (ВИЧ, полиомиелита, онкогенных РНК-вирусов и др.).

Передача наследственной информации у них происходит по схеме:

прямая транскрипция, 3 — трансляция. По схеме ОТ. происходят амплификация генов, перемещение МГЭ. О.Т. является одним из этапов в жизненном цикле РНК-вирусов (задание 52).

Задание 40

Амплификация генов.

Амплификация генов (А.) — увеличение количества генов (фрагментов ДНК). У человека А. происходит постоянно в клетках-продуцентах антител. Разная степень А. различных генов в процессе гието- и органогенеза является одним из механизмов дифференцировки клеток.

Возможные механизмы А.: а) неравный кроссинговер;

б) «вырезание» фрагментов ДНК, репликация их вне хро мосомы, встраивание копий фрагмента в исходную ДНК;

в) О.Т. (образование копий ДНК на матрице РНК).

За счет А. генов и последующей их мутации в процессе эволюции возникли семейства генов (задание 25).

Ознакомьтесь с одной из схем амплификации генов:

Напишите названия ферментов, обеспечивающих прямую (1), обратную

(2) транскрипцию, синтез ДНК на матрице ДНК(З).

Задание 41

Альтернативный сплайсинг.

Ген белка А (рис. 7) состоит из 5 экзонов (э) и 4 интронов (и). Какие функциональные зоны, в какой последовательности будут содержаться в первичном транскрипте (проиРНК) с этого гена?

Какие функциональные зоны и в какой последовательности сохранятся в зрелой иРНК, если процессинг-сплайсинг будет происходить по:

а) типичной схеме; б) одному из альтернативных вариантов — интроны «вырезаются»,

экзоны «сшиваются» в последовательности 1, 3, 4?

Сколько будет содержаться нуклеотидов в проиРНК и иРНК при различных условиях сплайсинга? Сколько аминокислотных остатков в полипептидах при различных вариантах «сшивания» экзонов?

Задание 42,

Трансляция.

Проанализируйте основные компоненты, обеспечивающие трансляцию (I), основные этапы трансляции (II) и ответьте на вопросы в табл. 12.

Таблица 12

1. Каким концом (какой структурой) присоединяется иРНК

крибосоме?

2.Какие два функциональных участка имеются в большой субъединице рибосомы?

3.Какая тРНК (с какой АК), в какой функциональный участок (аминоацильный или пептидильный) рибосомы входит первой?

4.В каком функциональном участке рибосомы происходит элонгация?

5.За счет какой химической связи соединяются АК в полипептидную цепь?

6.Что служит сигналом окончания трансляции?

Задание 43

Строение и функции тРНК.

Изучите схему строения тРНК (рис. 8). Основные функциональные зоны тРНК: акцепторный стебель (свободный З'-конец у всех тРНК заканчивается ЦЦА) и антикодоновая петля с антикодоном (у всех тРНК различен

спортирует ее к рибосомам, Антикодон тРНК «узнает» «свой» кодон в иРНК и комплементаРН0 связывается с ним.

При этом только 2-й и 3-й нуклеотиды антико-дона тРНК спариваются со 2-м и 1-м нуклеотидами кодона иРНК по

каноническим правилам (А— У, Г— Ц). Спаривание 1-го нуклеотида антикодона с 3-м нуклеотидом кодона иРНК часто происходит по-иному (неоднозначное соответствие). Например, У в первой позиции антикодона тРНК «узнает» (и спаривается) А и Г в третьем положении кодона иРНК, Г в антикодоне -> Ц и У в кодоне. Кроме того, А в первом положении антикодона тРНК не встречается, т.к. аденин легко модифицируется в И (инозин-минорное основание), которое спаривается («узнает») с У, Ц, А, находящимися в 3-м положении кодона и РНК.

Сколько тРНК в клетке? Какую АК транспортирует тРНК, изображенная на рис. 8? Какие две АК имеют только по одной тРНК? Какие кодоны иРНК не имеют тРНК? Какой этап экспрессии генов отсутствует при синтезе тРНК?

Задание 441

Особенности спаривания кодонов иРНК и антикодонов тРНК.

1.Какие кодоны иРНК могут «узнать» тРНК, имеющие следующие антикодоны:

трансляции с данной иРНК. Напишите последовательность аминокислотных остатков в трипептиде, закодированном в данной иРНК. Укажите Ы- и С-концы трипептида.

3.Дан фрагмент ДНК: 3' ...ААГЦАААТГ... 5'. Напишите

нуклёотидный состав иРНК (транскрибированной с данной ДНК) и антикодонов тРНК, которые могут «узнать» соответствующие кодоны иРНК. Цифрами обозначьте третий нуклеотид кодонов иРНК и первый нуклеотид в антикодонах. В какой тРНК в первой позиции антикодона должен находиться инозин (минорное основание)? С какими основаниями он может спариваться (задание 43)? Какие АК транспортируют данные тРНК (задание 7)?

Задание 45

Связь гена и признака.

Ознакомьтесь с различными схемами связи гена и признака на молекулярном уровне.

1 ген -> 1 белок

1 ген ->1 фермент

1 ген ->1 полипептид

1 ген -> 2 и более полипептидов

2 гена -> 1 полипептид Несколько генов -> 1 полипептид.

Схемы 1, 2, 3 широко представлены у про- и эукариот. Схемы 4, 5, 6 характерны для эукариот, гены которых имеют экзон-интронную структуру.

1 К данному заданию в конце пособия есть ответ.

руются обе цепи ДНК. Описана для генов аденовируса, митохондриальной ДНК, для МГЭ и др.

полипептида. По такой схеме у человека синтезируется в эритроцитах фермент Г6ФД 2-й тип (задание 46). Вначале транскрибируются 54 кодона гена, локализованного в аутосо-ме 6, затем — остальные кодоны гена в Хц21. В итоге образуется единая иРНК-матрица для трансляции Г6ФД 2-го типа. Г6ФД 1-го типа синтезируется в печени. Ген локализован в Хц28, экспрессируется по обычной схеме.

3. Взаимодействие двух схем: «1 ген -» несколько полипептидов» и «несколько генов -» 1 полипептид».

По такой схеме у человека синтезируются нейропептиды (обладают морфиноподобным эффектом): мет-энкефалин, лей-энкефалин, р-эндорфин, р- липотропин. Энкефалины (мет- и лей-) состоят из 5 аминокислотных остатков: 4 одинаковые (Тир— — Гли— Гли— Фен), 5-й у мет-энкефалина — Мет, у лей- энкефа-лина — Лей. р-эндорфин состоит из 31 аминокислотного остатка, начальный фрагмент аналогичен мет-энкефалину, р-эндорфин является частью р-липотропина.

Синтез нейропептидов контролируют 3 гена: РОМС (2р23), РОУЫ (20р1ег), РЕЫК (8ц23). Все они имеют сходные нуклео-тидные последовательности (домены), разные комбинации которых в процессе их экспрессии обеспечивают синтез разных нейропептидов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ УИРС

Задание 46

Взаимодействие генов.

Генотип — это система взаимодействующих генов. Чаще взаимодействуют продукты генов на посттрансляционном этапе их экспрессии.

Ознакомьтесь с примерами взаимодействия генов на различных этапах их экспрессии.

(продукт гена Н, 19р 13-ц 13) и специфических ферментов (продуктов генов А, В, О, 9^34), которые переводят вещество Н в соответствующий агглютиноген. При генотипах ААНН и ААНЬ фенотип — II ( А) группа крови, при генотипах ААЬЬ и АОЬЬ - I (О) группа.

2.Взаимодействие генов на этапе транскрипции.

костном мозге. Вначале активно работают гены а- и у-цепей гемоглобина. С шести месяцев эмбрионального развития активность генов у-цепей постепенно падает. Гены (3-цепей начинают экспрессироваться с двух месяцев/ гены а- цепей — с семи месяцев эмбрионального развития. В зависимости от того, какие гены экспрессируются в данный период онтогенеза, синтезируются соответствующие виды гемоглобина (формируется определенный фенотип).

У взрослого человека в норме в эритроцитах содержится

Объясните, почему у взрослого человека образуются такие виды гемоглобина в указанных соотношениях. Какие виды гемоглобина содержатся в норме в крови 6-месячного плода и у новорожденного? Укажите приблизительное (в %) их соотношение.

Задание 48.

Классификация генов.

Изучите классификацию генов по степени их активности в различные периоды онтогенеза. Заполните табл. 12.

Таблица 12

Гены, активные в разные периоды онтогенеза

1.Гены, активные в течение всего онтогенеза (гены жизнеобеспечения)

2.Гены, активные в определенный период онтогенеза

3.Гены, активируемые «по потребности» (индуцируемые гены)

Задание 49

Регуляция экспрессии генов на посттрансляционном этапе.

Гормон инсулин — белок-димер, состоит из двух полипептидных цепей (В и А). В-цепь содержит 30 аминокислотных остатков, А-цепь — 21 ( АК).

Синтез инсулина контролируется парой аллельных генов (11р15). На этапе трансляции синтезируется единая полипептидная цепь (АК-81) - предшественник инсулина (проинсулин). Начальный участок его (с 1 по 30 АК) соответствует В-цепи, с 61 по 81 — А-цепи, участок между ними (с 31 по 60) — С-цепь. На посттрансляционном этапе С-цепь вырезается, В- и А-цепи объединяются в единую активную молекулу инсулина.

Сколько всего кодирующих нуклеотидов и кодонов входит в состав всех экзонов структурного гена, кодирующего проин-сулин и отдельно В- и А-цепи?