В.И. Иванов - Генетика, страница 11

Во второй половине 70-х гг. появились данные о локализации генов тРНК у Е с а8, дрожжей, Хепорил (аеиа, Ргааор)а!а те(апалазтег. Гены, кодирующие рибосомнукт и транспортную РНК были отнесены к генам «домашнего хозяйстваь, поскольку работают в каждой клетке и необходимы для поддержания ее жизнеспособности. Ол~ ~ако н отличие от генов рРН К, гены тРНК диспергированы по ге ному. !)урное развитие молекулярной биологии, появление новых методов и приборов, и шстности секвенаторов, сделало возможным изучение структуры генов у зукоритов.

! !срвыми в конце 70-х гг. были расшифрованы нуклеотидные последовательности (1- и а-глобиновых генов человека. Оказалось, что эукариотические гены устроены сложнее, чем гены прокариотов. Они имеют мозаичную структуру и состоят из копирующих участков — зкзоиов и расположенных между ними некодирующих областей — интронов. При транскрипции ДНК считывается целиком, а затем образовавшаяся пре-мРНК подвергается созреванию (процессингу): участки РНК транс- ДНК Первичный трвнскрипт а Н.ак: Е3:.::~Бйя ддМддддд функциональная мРНК 1 2 3 4 5 Трансляция Белок Рис.

ЗЛ. Сплайсинг матричной РНК. (Из: Глик и Пастернак, 2002) блика 3, Структури и Функции генетического мют уши «и про-ырнк 3' 1Ь 3 4 5 Ва ВЬ 7 В 9а 9Ь 9с 95 5' 1а 2а 2Ь Мышцы !а 2Ь 3 4 5 7 В 9а 9Ь 1а 1Ь 3 4 5 ВЬ 7 В 9с Фибробласты 14 2Ь 3 4 5 Ва 7 В Рис. 3.8. Альтернативный сплайсинг пре-мРНК гена а-тропомиозина, (По: Спцйгбз сг а!., 2000) 3.2. СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ ДНК В! 953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик, основываясь на данных рентгеноструктурного анализа кристаллов ДН К, пришли к выводу, что ее молекула состоит из двух полимерных цепей, образующих двойную спираль. ДНК вЂ” это полинуклеотид, сложенный из отдельных «кирпичиков» мононуклеотидов.

В состав мононуклеотидов входят нуклеозиды, соединенные остатками фосфорной кислоты. Каждый нуклео- крибированные с интронов, вырезаются, а участки РНК, ситезированные на экзонах, ошиваются (свлайсинг) (рис. 3.7). Наряду с последовательным вырезанием интронов, существует еще и ачьтернативный сплайсинг, в результате которого экзоны одного гена соединяются в разных комбинациях с образованием различных зрелых мРНК (рис. 3.8), Это явление в корне изменило представление о гене, как единице наследственности, кодирующей только одну полипептилную цепь, Вот почему в современной генетической литературе нет единого общепринятого определения термина «ген». Так, в основу одних определений положена структурная организация гена, других — функция в организме, в третьих определениях — ген рассматривается как единица в процессе транскрипции, в четвертых — к перечисленным функциям добавляется возможность транскрипции с одного гена нескольких вариантов м РН К.

Мы предлагаем расширенное определение термина <ген» с учетом его структурных и функциональных особенностей. Структурный ген — это участок ггггК и ги РУК (у некоторых вирусов), определягощий линейную последовательность полипептидной цепи или одной молекулы тРНК или 77РНК. За счет разных рамок считывания, альтернативного сплайсинга 71 различных ~ромоторов (см. гл.

12) с одного гена могут быть транскрибированы несколько м РН К, выполняющих сходные или различные функции. «юруктуро и функции генелзическрго минн лниинк о - н он / н н Π— Р О н о о сн, л т о о О=Р-О- н н / о о н / Π— Р=О н н н н 5' о о сн, С'к о н / о о ин О=Р— О н / о и н / -Π— Р О н н н н 3' з' о о о,, сн, с.с о о ни / н ΠР— О н о о н н / н н 5' Π— Р О ни о о сн сн, о о Π— Р— О а 3 о он н Малая бороздка Бороздка Большая бороздка Рис. 3.9. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

(По: Гилберт, 1995) а — структура; б — формы днк е- Чоенть !. От)отан генетика ототн ньв ий 'ис. 3.10. Особенности ДНК как генетической молекулы !. Стабильность. Она обеспечивается водородными, гликозидными и фосфодиэтир~ пнми связями, а также механизмом репарации спонтанных и иидуцированных овреждений; 2. Способность к репликации. Благодаря этому механизму в соматических клетах сохраняется диплоидное число хромосом (см.

гл. 2 и 9). Схематично все перечисенные особенности ДН К как генетической молекулы изображены на рис. 3. !О. 3. Наличие генетического кода. Последовательность оснований в ДНК с помо;и ю процессов транскрипции и трансляции преобразуется в последовательность минокислот в полипептидной цепи; 4. Способность к генеттвтеской рекомбинации. Благодаря этому механизму обрауипся новые сочетания сцепленных генов.

3.3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ 3ередача генетической информации в клетке основана на матричных процессах рспликации, транскрипции, трансляции). Синтез дочерней цепи ()тепликалия) мо~скулы ДНК происходит по матрице одной из двух родительских цепей с образова~исм новой двухцепочечной молекулы ДНК. Синтез молекулы РН К совершается в ~)хтцессе траттскрилчаи ДНК по матрице одной из двух цепей ДНК. Такая матрич~ая (информационная) РНК может рассматриваться как посредник между ДНК и )едком. Далее при синтезе белков генетическая информация, закодированная в по:лсдовательности триплетов азотистых оснований (кодонов), транслируется в амиюкиатотную последовательность полипептидных цепей. Остановимся кратко на саждом из этих процессов.

Репликация. Во время репликации происходит расхождение двух цепей ДНК, и каждая из них служит матрицей для синтеза дочерней цепи (рис. 3.1 ! ). Такой спо:об репликации называется полуконсервативным. При этом дезоксирибонуклеотизы встраиваются вдочернюю цепь согласно правилу комплементарности азотистых оснований (А — Т, Π— С). Вновь образованная молекула состоит из одной родитель- Рлиео 3, Ондунтууо и фунниии генетического митегннми Рис.

3.11. Репликация Д 1Из: Сингер и Берг, 1998) ской и одной дочерней цепи ДНК. Образование дочерних хромосом происходит на стадии синтеза 1Я) в интерфазе между митогическими делениями и перед первы м делением мейоза (гл. 2). В анафазе удвоенные хромосомы расходятся по дочерним клеткам. Таким образом, без процесса репликации невозможно сохранение диплоидного числа хромосом в соматических клетках и образование гаплоидного набора хромосом в половых клетках после двух делений мейоза.

Однако при делении клеток происходит не только сохранение числа хромосом, но и воспроизведение последовательности азотистых оснований в молекулах ДНК, основанное на комплементарности пар оснований родительской и дочерней цепей ДНК. (Более подробно механизм репликации рассматривается в гл. 9.) Репарация. Система зашиты клетки включает различные типы репарации поврежденной молекулы ДНК. Этот процесс может быль однозтапным и многозтапным, происходить как на свету так и в темноте 1гл. 10). Например, при эксцизион ной репарации, специальный ферментделает надрез возле поврежденного участка, а затем этот участок удаляется.

На месте образовавшейся бреши происходит репаративный синтез ДНК по матрице неповрежденной цепи. Ферменты репликации в редких случаях ошибочно вставляют в дочернюю цепь не комплементарное основание. Ошибки репликации исправляют специальные ферменты с корректируюШей функцией; они находят и удаляют некомплементарное основание. Затем происходит замена на основание, соответствуюшее правилу комплементарности 1А — Т, Π— С). Рекомбииация. Образование новых сочетаний генов происходит в результате обмена участками между гомологичными последовательностями ДНК (яроссингоеер) 1рис.

3.12). В процессе кроссинговера происходит обмен участками между гомоло- 14 Часть!. Огтногв ввнвгники Рис 3.12. Кроссингоеер между гомологичными хромосомами Комппементарнан цепь есто инициирующего нукпеотида 'ис. 3.13. Транскрипция. (Из: Сингер и Берг, 1998) ичпыми хромосомами. При этом, чем дальше расположены гены, тем более часто ~роисходит между ними кроссинговер. Этот принцип был использован при постро.и ии первых генетических карт у дрозофилы и кукурузы (гл.

7). Рекомбинация может иметь место и при незначительной гомологии нуклеотидпцх пар, например, при интеграции фатов в хромосому бактерий, и при фактичеком отсутствии этой гомологии в случае перемещения мобильных диспергированпих элементов по эукариотическим хромосомам. Последние два типа событий отюсят к незаконной рекомбинации (гл. ! 1). ')равекрммпмя. Генетическая информация, записанная в последовательности оса> щи ~ и й в молекуле Д Н К, передается на молекулу рибонуклеиновой кислоты (Р Н К) ~ процессе транскрипции. РНК отличается от ДНК наличием в сахарофосфатном ~сзювс молекулы сахара рибозы вместо дезоксирибозы и друпло азотистого основа~ ин — урацила (вместо тимина), комплементарного аденину. Транскрипция ДНК— гатрич ны й процесс, во время которого молекула РНК синтезируется по матрице одюй из двух цепей ДНК (рис. 3.13).