иии / генетика / Генетика Глава 1

ГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ

ОБЩАЯ ГЕНЕТИКА

Глава 1. Структура и экспрессия гена

Казань 2013

УДК 611:018(075.8) ББК 28.05+28.06

Печатается по решению Центрального координационно-методического совета

Казанского государственного медицинского университета.

Авторы:

Исламов Р.Р., Кошпаева Е.С., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В. Под общей редакцией: проф. Исламова Р.Р.

Рецензенты:

Заведующий кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии КГМУ проф. Челышев Ю.А.

Заведующий кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова проф. Глинкина В.В.

Общая генетика. Глава 1. Cтруктура и экспрессия гена. Учебно-ме- тодическое пособие/ Исламов Р.Р., Кошпаева Е.С., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В. – Казань: КГМУ, 2013. – 42 с.

Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (ФГОС-3) и типовой Учебной программой по дисциплине «Биология». В 1 главе «Cтруктура и экспрессия гена» Учебно-методи- ческого пособия «Общая генетика» изложены цели и задачи данной темы, указаны формируемые компетенции, приведён теоретический обзор изучаемого материала, изложенный в лаконичной, рубрицированной форме и имеющий медицинскую направленность. Практические навыки включают усвоение правила реализации наследственной информации, изучение экспрессии генов терминальной дифференцировки клетки с помощью иммуногистохимического метода, решение ситуационных задач по теме. Пособие включает типовые тестовые вопросы, вопросы самоконтроля и справочник терминов.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов младших курсов медицинских факультетов и медицинских вузов.

© Казанский государственный медицинский университет, 2013

Глава 1 СТРУКТУРА и ЭКСПЕРССИЯ ГЕНА

Цель занятия.

Получить представление о гене и генетическом коде. Разобрать особенности строения генов и их классификацию. Усвоить принцип центральной догмы молекулярной биологии. Научиться описывать и объяснять экспрессию гена: процессы транскрипции, процессинга и трансляции.

Задачи занятия:

1.Разобрать теоретический материал.

2.Зарисовать по таблицам схему строения и экспрессии гена.

3.Усвоить механизмы регуляции экспрессии генов.

4.Решить ситуационные задачи.

5.Усвоить механизмы деградации РНК.

6.Изучить и зарисовать по микропрепаратам примеры тканеспецифичной экспрессии генов.

Формируемые компетенции:

ОК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-9, ПК-31, ПК-32

Студент должен знать:

1.Основные понятия молекулярной генетики.

2.Экзон-интронное строение гена.

3.Сущность генетического кода.

4.Значение центральной догмы молекулярной биологии.

5.Молекулярные механизмы регуляции экспрессии гена на уровне транскрипции, процессинга, трансляции мРНК.

6.Механизм РНК-интерференции.

Студент должен уметь:

1.Пользоваться учебной, научной, научно-популярной литературой, сетью Интернет для получения знаний по данной теме.

2.Работать с обучающей компьютерной программой при изучении темы.

3.Идентифицировать процессы транскрипции, процессинга и транс-

4 ляции по микрофотографиям, рисункам и схемам.

4.Решать ситуационные задачи по молекулярной генетике.

5.Применять полученные знания для анализа экспрессии генов.

Студент должен владеть:

1.Основным понятийным аппаратом молекулярной генетики.

2.Навыками устного и письменного описания изучаемого материала.

Оснащение занятия:

1.Таблицы:

•Генетический код.

•Схема лактозного оперона.

•Схема строения гена эукариот.

•Транскрипция.

•Трансляция.

•Регуляция экспрессии гена.

2.Технические средства:

•Ноутбук.

•Проектор.

•Микроскоп световой.

3.Микропрепараты:

•Поперечный срез спинного мозга крысы. Иммуногистохимическое выявление холинацетилтрансферазы в двигательных нейронах.

•Поперечный срез быстрой и медленной скелетной мышцы морской свинки. Иммуногистохимическое выявление тяжёлых цепей быстрого миозина в мышечных волокнах.

Хронологическая карта занятия:

1.Организационная часть.

2.Письменный тестовый контроль базового уровня знаний.

3.Разбор теоретического материала.

4.Самостоятельная работа студентов и текущий контроль за выполнением заданий.

5.Проверка выполненных работ в тетрадях и альбомах.

6.Установка задания для подготовки к следующей теме.

5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Ген — участок ДНК, с которого копируется РНК. Термин «ген» был предложен в 1909 году датским ботаником Вильгельмом Йогансеном. В 1920 году Ганс Винклер ввёл понятие генома — совокупность генов, заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Геном человека длиной 3,3 млрд п.н. расшифрован в 2003 году, содержит примерно от 20000 до 25000 генов. Окончательное количество генов не установлено.

СТРУКТУРА ГЕНА

Размеры генов варьируют от 250 п.н. (ген IGF2 — инсулин-подоб- ный фактор роста II, 67 аминокислот) до 2 200 000 п.н. (ген DMD — дистрофин, 3685 аминокислот). Общепринятая модель строения гена — экзон-интронная структура (рис. 1-1).

Экзон—последовательностьДНК, котораяпредставленавзрелойРНК. Всоставегенадолжен присутствоватькакминимумодинэкзон(генытРНК, гистонов). Максимальноеколичество экзонов представлено вгенемышечного белка титина — 364 экзона. В среднем в гене содержится 8 экзонов.

•Фактор инициации транскрипции 5'-ACTT(T/C)TG-3' входит в состав первого экзона.

•Фактор терминации транскрипции (менее определённая последовательность) входит в состав последнего экзона.

Интрон — последовательность ДНК, включённая между экзонами,

не входит в состав зрелой РНК. Интроны имеют определенные нуклеотидные последовательности, определяющие их границы с экзонами: на 5' конце — GU последовательность, на 3' конце —AG. Интроны содержат регуляторные элементы экспрессии гена и могут кодировать регуляторные РНК (miRNA).

Сигнал полиаденилирования 5'-AATAAA-3' входит в состав последнего экзона, начинается сразу после стоп-кодона (ТАА, TAG, TGA). Поли(А) сайты защищают мРНК от деградации.

5'- и 3'-фланкирующие последовательности. Копирование гена происходит в направлении 5' → 3'; на флангах (границах) находятся специфические сайты, ограничивающие ген и содержащие регуляторные элементы его транскрипции.

Регуляторные элементы — промотор, энхансеры, сайленсеры, инсуляторы — могут находиться за пределами сайта транскрипции и быть общими для нескольких генов.

•Промотор (от англ. promoter — активатор, ускоритель) — цис-регу- ляторная последовательность в 5'-области гена, определяющая мес-

6

Рис. 1-1. Структура и экспрессия гена [из Boron W.F., Boulpaep E.L., 2003].

то прикрепления РНК-полимеразы и интенсивность (частоту) транскрипции мРНК. Содержит ТАТА-бокс для связывания основного фактора транскрипции TFIID. Проксимальнее ТАТА-бокса содержатся GC бокс (5'-GGGCGG-3') и CAAT бокс (5'-CCAAT-3') для связывания дополнительных специфических белков, активирующих экспрессию генов. Активация только промотора не достаточна для экспрессии гена на физиологически значимом уровне.

•Энхансеры (от англ. enhance — усиливать) — цис-позитивные регуляторные элементы и сайленсеры (от англ. silence — успокаивать) — цис-негативные регуляторные элементы состоят из 6-12 нуклеотидов, специфически взаимодействующих с белками. Энхансеры связываются с белками активаторами и усиливают экспрессию гена.

8

руется в желточном мешке, γG- и γA-глобины в печени плода, δ- и β-глобины в красном костном мозге в постнатальном периоде.

oLCR связывает факторы транскрипции GATA1 и NF-E2, изменяет форму хроматина, делая его доступным для факторов транскрипции, и выступает в роли энхансера.

oТалассемия — гетерогенная группа генетических дефектов, ха-

рактеризующихся отсутствием или сниженной экспрессией генов, кодирующих α - (α-талассемия) или β - (β-талассемия) цепи глобинов. При мутациях генов нарушается или полностью блокируется образование одной или нескольких цепей глобина, что приводит к развитию анемии. В случае β-талассемии мутации могут затрагивать LCR.

Таблица1. Генетический код. Втаблицепредставлены первое, второе и третье основание кодона. Названия оснований даются в двух вариантах. Без скобок указаны нуклеотиды РНК, в скобках указаны нуклеотиды ДНК.

9

Природа генетического кода

В 1961 году Френсис Крик предложил четыре свойства генетического кода:

•три азотистых основания (триплет) кодируют одну аминокислоту;

•триплеты генетического кода не перекрываются;

•последовательности триплетов считываются с определенной начальной точки, знаки препинания внутри кодирующей последовательности отсутствуют;

•одна аминокислота может быть закодирована разными триплетами — вырожденность (избыточность) генетического кода. 61 кодон кодирует 20 аминокислот. УАА, УАГ и УГА-нонсенс-кодоны (стоп-кодо- ны).

Таблица 2. Аминокислоты и соответствующие им сокращённые названия и кодоны

10

Таблица 2. Аминокислоты и соответствующие им сокращённые названия и кодоны (окончание)