Организация генетического материал

Организация генетического материала 

1. Организация генетического материала вирусов.

Вирусы  – это неклеточные формы жизни, обладающие собственным геномом и способные к воспроизведению только в клетках живых организмов.

Вирион (вирусная частица) состоит из белковой оболочки (капсида) и заключенной в эту оболочку нуклеиновой кислоты.

Генетический  материал вирусов и фагов можетбыть  представлен как ДНК, так и  РНК. Нуклеиновые кислоты вирусов могут быть как одноцепочечные, так и двухцепочечные. Молекулы нуклеиновой кислоты вирусов могут иметь линейную или кольцевую форму. Есть вирусы с фрагментированным геномом, состоящим из нескольких молекул нуклеиновой кислоты.

 

ДНК-содержащие вирусы:

Аденовирус, вирус герпеса – линейная двухцепочечная ДНК

Парвовирус  – одноцепочечная линейная ДНК

Паповавирусы  – сверхспиральная замкнутая кольцевая ДНК

Фаг М13 – одноцепочечное кольцо

Вирус гепатита В – частично одноцепочечная кольцевая ДНК

Вирус папиломы человека – двухцепочечная кольцевая ДНК

 

РНК-содержащие вирусы:

Ретровирусы, вирус полиомиелита  – одноцепочечный диплоидный геном

Вирус гриппа – 8 разных одноцепочечных молекул

ВТМ – одноцепочечная молекула

Реовирус  – 10 разных двуцепочечных молекул

 

2. Организация генетического материала прокариот
1. Хромосомная ДНК.

 Хромосома бактерий представлена двунитевой кольцевой суперспирализованной молекулой ДНК.

В упаковке кольцевой  ДНК принимают участие негистоновые белки. Кольцевая ДНК складывается в петли, основания которых фиксируются  негистоновыми белками.

Хромосомная ДНК  бактерий занимает определенную область – нуклеоид.

Геном прокариот  состоит из структурных генов  и регуляторных последовательностей, организованных в опероны.

Экстрахромосомная ДНК бактерий представлена плазмидами.

2. Экстрахромосомная ДНК.

1. Плазмиды – малые кольцевые двухцепочечные самореплицирующиеся ДНК бактерий.

Классификация плазмид

 

I. По количеству копий:

- Однокопийные (1 плазмида данного типа на  клетку)

- Мультикопийные (много копий плазмиды данного  типа на клетку)

II. По совместимости:

– Совместимые (в клетке находятся одновременно несколько типов плазмид)

- Несовместимые  (в клетке только один тип  плазмид)

III.По способности к переносу:

 – Трансмиссивные (конъюгативные) - способные к переносу  в другие бактериальные клетки  при конъюгации, содержат гены tra 

- Нетрансмиссивные (неконъюгативные) – не способные к переносу в другие клетки, не содержат гены tra

- Коинтегративные – содержат гены tra и гены, придающие клетке определенные свойства:

Col – плазмиды – кодируют синтез колицинов;

Ent – плазмиды – кодируют синтез бактериальных токсинов;

Hly – плазмиды – определяют синтез факторов, определяющих разрушение гемоглобина (гемолизины)

R – плазмиды – несут гены устойчивости к антибиотикам

F – плазмиды – содержат гены переноса (tra)

 

Конъюгация  – половой процесс у бактерий, при котором происходит прямой перенос генетического материала от клетки - донора к клетке – реципиенту.

Донорами являются клетки, имеющие F-плазмиды (половые факторы).

Донорные клетки (F+) соединяются с реципиентными клетками (F-) при помощи половых пилей (F-пилей).

F-плазмиды несут гены tra (переноса), необходимые для переноса этих плазмид и других плазмид, а также бактериальной хромосомы.

 

 

 

 

 

2. Мобильные генетические элементы – особые последовательности ДНК, способные перемещаться из одного участка локализации в другой. Могут вызывать различные типы генных мутаций (делеция, вставка, инверсия, сдвиг рамки считывания). Встраивание мобильных может вызывать инактивацию генов. Встраивание поблизости от молчащего гена может приводить к его активации. Способствуют эволюции генома.

 

IS-элементы.

 Простые инсерционные последовательности (800-1000 н.п.).

Входят в  состав бактериальных хромосом и  плазмид. Содержат ген транспозазы  и IR-элементы, которые представлены короткими инвертированными повторами. При встраивании IS-элементы вызывают в месте встраивания небольшую дупликацию.

 

Транспозоны (Tn).

Сложные МГЭ  размером более 2000 н.п. Транспозоны  фланкированы длинными концевыми повторами (плечами), которые могут состоять из IS-элементов. Содержат гены транспозазы и другие структурные гены (например, гены устойчивости к антибиотикам, солям тяжелых металлов, синтеза токсинов).

 

 

3. Организация генетического материала эукариот

1. Ядерная ДНК.

ДНК эукариот является избыточной. Большая часть геномной ДНК представлена некодирующими последовательностями.

 

Последовательности нуклеотидов  эукариотического генома:

1.  Уникальные последовательности. 1 - 2 копии на геном.

     а) уникальные кодирующие последовательности (2 - 3 %).

     Это  последовательности генов, кодирующие белки.

     Состоят  из экзонов, интронов и регуляторных  областей.

     б) уникальные некодирующие последовательности (интроны) (38%)

2. Повторяющиеся последовательности (60%). Встречаются в геноме в большом числе копий. Расположены в геноме тандемно (друг за другом) или диспергировано (рассеянно) по геному.

       а) Умеренно повторяющиеся последовательности. До 100 копий на геном. Размер  последовательностей от нескольких  сотен до нескольких тысяч  н.п. (рРНК, тРНК, гистоны и др.)

      б) Высоко повторяющиеся последовательности. До 500 тыс. копий на геном. Короткие последовательности до нескольких сотен н.п.  

Тандемные последовательности:

• Центромерная ДНК. Повторяющие единицы имеют размер примерно 170 п.н.(сателлитная ДНК). Эти единицы образуют ряды, длина которых составляет от 250 т.п.н. до 5 млн п.н. (3% генома).
• Теломерная ДНК. У человека теломерными являются последовательности ГГГТТА. В разных хромосомах они повторяются от 250 до 1500 раз.
• Гены рРНК. В геноме человека есть 5 групп таких генов (для 18S, 28S  и 5,8S рРНК), каждая из которых содержит около 60 копий. Они расположены в коротких плечах акроцентрических хромосом (13, 14, 15, 21, 22 пары). Эти кластеры рРНК вместе с дополнительными участками называются ядрышковыми организаторами, потому что ядрышко может быть образовано каждым из них. В хромосоме 1 расположен еще один кластер тандемно повторяющихся генов – для 5S рРНК. 
• Гены тРНК. В эукариотических клетках насчитывается 40-60 основных типов тРНК. Гены сгруппированы в кластеры, расположенные в разных хромосомах. У человека на гаплоидный геном приходится 1300 генов тРНК (по 10-20 копий на каждый тип тРНК). 
• Гены гистоновых белков. У некоторых видов эукариот расположены тандемно, у птиц и млекопитающих разбросаны по геному. На гаплоидный геном у человека приходится 40 копий генов гистоновых белков (H1, H2A, H2B, H3, H4).

Диспергированные  последовательности:

Разбросаны  по геному по отдельности, а не кластерами. Являются подвижными (мобильными) генетическими элементами, которые называются ретротранспозонами.

• Длинные диспергированные элементы LINE (Long INterspersed Elements).

LINE-1 (L-1): 500 000 копий на геном (15% генома). Длина более 5000 п.н. Кодируют несколько белков,способных вызывать транспозицию самого элемента L-1 или других мобильных элементов. В том числе обратную транскриптазу (фермент, который использует мРНК как матрицу и создает комплементарную ей одноцепочечную ДНК-копию, кДНК) и эндонуклеазу, которая производит надрезы в ДНК, куда может встраиваться новая кДНК.

• Короткие диспергированные элементы SINE (Short INterspersed Elements).

Alu – последовательности. 1 млн копий на геном (10-12% генома). Длина 300 п.н. Чаще находятся между генами и внутри интронов, иногда включены в мРНК. Не кодируют белков и поэтому не могут сами перемещаться по геному. Предполагается, что ферменты, кодируемые элементами L1, участвуют в ретротранспозиции последовательностей Alu.

 

3. Экстрахромосомная ДНК.

1. Мобильные генетические элементы.

Транспозоны. (Р-элемент и copia D. melanogaster, Ac-элемент кукурузы)

• Ограничены инвертированными (или прямыми) повторами.
• 30 -50 копий на геном.
• Кодируют транспозазу.
• При встраивании сайт-мишень обычно дуплицируется.

Ретротранспозоны. Сходны по структуре с проретровирусами и ограничены прямыми длинными концевыми повторами (LTR). Для транспозиции используется механизм обратной транскрипции и необходимы ферменты обратная транскриптаза и интеграза (кодируются ретротранспозоном). В составе LTR есть сайты инициации транскрипции и сайты полиаденилирования для РНК-полимеразы II. Синтезируемая молекула РНК транслируется с образованием ферментов, необходимых для синтеза ДНК и внедрения ее в геном.

Семейство LINE млекопитающих. Ретротранспозоны LINE не имеют концевых повторов. Обнаружен в гене фактора VIII у больных гемофилией.

 

Строение  типичного ретротранспозона и его  транскрипт.

 

2. Геном митохондрий

• Митохондрии имеют кольцевую двухцепочечную ДНК (мтДНК) размером 16 569 н.п.;

• Митохондриальная хромосома содержит 37 генов: 2 гена рРНК, 22 гена тРНК, 13 генов цитохромов;
• ДНК митохондрий не связана с гистоновыми белками;
• Гены мтДНК млекопитающих и человека не имеют интронов;
• Транскрибируются обе цепи мтДНК;
• Генетический код митохондрий отличается от универсального по 4 кодонам;
• Гены мтДНК кодируют 5% митохондриальных белков, синтез остальных белков митохондрий кодируют гены хромосомной ДНК;
• мтДНК наследуется только по материнской линии;
• Мутации мтДНК могут приводить к митохондриальным болезням.

 

 

 

 

 

Структура хроматина

 

Хроматин  – комплекс ДНК и белков (гистонов и негистоновых белков).

Выделяют два типа хроматина – эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин  – синтетически активная малоспирализованная часть хроматина.

Гетерохроматин – синтетически неактивная сильно спирализованная часть хроматина. Различают факультативный гетерохроматин и конститутивный гетерохроматин.

Факультативный  гетерохроматин может при определенных условиях переходить в эухроматин.

Конститутивный  гетерохроматин – не может переходить в эухроматин, образует центромеры и теломеры.

Единица организации хроматина – нуклеосома. Основой нуклеосомы является нуклеосомный кор (сердцевина). Кор состоит из четырех типов гистоновых белков – H2A, H2B, H3, H4 (по 2 копии каждого типа). У всех эукариот в состав хроматина входят одни и теже типы гистонов. На гистоновый кор наматывается ДНК длиной 145 п.н. Эта величина одинакова у всех видов эукариот. Нуклеосомы образуют нить, диаметром 10 нм. Участок ДНК между нуклеосомами называется линкером. Длина линкерной ДНК видоспецифична (от 10 до 150 п.н.). С линкером связывается гистон  H1.

 

Нить  нуклеосом.

 

 

 

 

 

 

 

Нить нуклеосом сворачивается в спираль – соленоид (диаметр 30 нм).

 

Стадии  упаковки хроматина:

1. Нуклеосома

2. Нить нуклеосом (10 нм)

3.  Хроматиновая  фибрилла       (соленоид)(30 нм)