Alla perimä Termi ymmärretään solun täydelliseksi geneettiseksi järjestelmäksi, joka varmistaa kaikkien sen rakenteellisten ja toiminnallisten ominaisuuksien siirtymisen useiden sukupolvien aikana. Kasvitieteilijä Winkler otti ensimmäisenä käyttöön termin genomi viittaamaan haploidiseen kromosomien joukkoon. Myöhemmin tätä termiä käytettiin viittaamaan DNA:n määrään haploidissa tai diploidisessa solussa. Molekyyligenetiikassa genomia ja DNA:ta käytetään usein identtisinä käsitteinä.

Monet virukset, joita kutsutaan retrovirukset, genomia edustaa RNA-molekyyli. Usein RNA on suljettu proteiinikuoreen - kapsidi. RNA-virukset aiheuttavat ihmisissä erilaisia ​​sairauksia kuten influenssa, polio, hepatiitti, vihurirokko, tuhkarokko ja monet muut. RNA-virusten genomi on pieni ja voi koostua vain kolmesta geenistä, joista yksi koodaa kapsidiproteiinia, kun taas muut ovat välttämättömiä viruksen lisääntymiselle. Kun virus saapuu soluun, ensimmäisessä vaiheessa yksijuosteinen cDNA syntetisoidaan viruksen RNA-templaatista käyttämällä käänteiskopioijaentsyymiä. Usein tämän entsyymin geeni sijaitsee itse RNA-viruksen genomissa. Kaksijuosteinen DNA rakennetaan cDNA-templaatin mukaan ja se insertoidaan tai transponoidaan isäntäsolun kromosomaaliseen DNA:han, minkä jälkeen se transkriptoidaan ja transloidaan muodostaen virusproteiineja. Samanlaista mekanismia RNA-viruksen genomin sisällyttämiseksi kromosomaaliseen DNA:han kutsutaan retropositio.

Prokaryoottien ja eukaryoottien genomit, vaikka niillä on tietty samankaltaisuus, eroavat silti merkittävästi rakenteeltaan. Prokaryoottien genomit koostuvat lähes kokonaan geeneistä ja säätelysekvensseistä. Prokaryoottien geeneissä ei ole introneja. Usein prokaryoottien toiminnallisesti samankaltaiset geenit ovat yhteisen transkription ohjauksen alaisia, toisin sanoen ne transkriptoidaan yhdessä muodostaen operoni.

Eukaryoottien genomit ovat huomattavasti suurempia kuin bakteerien genomit, hiivassa noin 2 kertaa ja ihmisissä - kolmella suuruusluokalla, eli tuhat kertaa. DNA:n määrän ja lajien evoluution monimutkaisuuden välillä ei kuitenkaan ole suoraa yhteyttä. Riittää, kun sanotaan, että joidenkin sammakkoeläin- tai kasvilajien genomit ovat kymmenen tai jopa sata kertaa suurempia kuin ihmisen genomi. Joissakin tapauksissa läheisesti sukua olevat organismilajit voivat erota merkittävästi DNA:n määrästä. Tärkeä seikka on, että siirtymisen aikana prokaryooteista eukaryooteihin genomin kasvu tapahtuu pääasiassa suuren määrän ei-koodaavien sekvenssien ilmestymisen vuoksi. Itse asiassa ihmisen genomissa koodaavat alueet, toisin sanoen eksonit, vievät yhteensä enintään 3% ja joidenkin arvioiden mukaan noin 1% DNA:n kokonaispituudesta.

Yli 50 % ihmisen genomista on sekvenssien käytössä, jotka toistuvat monta kertaa DNA-molekyylissä. Suurin osa niistä ei ole osa geenien koodaavia alueita. Joillakin toistuvilla sarjoilla on rakenteellinen rooli. Tämä rooli on selvä satelliitti toistot, jotka koostuvat suhteellisen lyhyistä monotonisista sekvensseistä, jotka on ryhmitelty laajennettuihin tandem-klustereihin. Tällaiset sekvenssit myötävaikuttavat lisääntyneeseen DNA:n heliksoitumiseen ja voivat toimia eräänlaisena vertailupisteenä kromosomikehyksessä. Siksi ei ole yllättävää, että suuri määrä satelliittitoistoja on lokalisoitunut heterokromatiinialueelle, päihin ja kromosomien perisentromeerisille alueille, joissa geenejä ei käytännössä ole. Suurten satelliittitoistojen paikantaminen näille alueille on välttämätöntä kromosomien asianmukaisen järjestämisen ja niiden ylläpitämisen kannalta kokonaisina yhtenäisinä rakenteina. Mutta satelliitti-DNA:n toiminnot eivät rajoitu tähän. Näin ollen lukuisan luokan rooli jää epäselväksi. mikrosatelliitti toistot ovat jakautuneet melko tasaisesti kaikkiin kromosomeihin ja koostuvat 1-4 peräkkäin toistuvasta samantyyppisestä nukleotidisekvenssistä. Hyvin monet niistä osoittautuvat erittäin polymorfisiksi klusterin toistuvien elementtien lukumäärän suhteen. Tämä tarkoittaa, että eri yksilöt voivat sisältää eri määrän toistuvia elementtejä mikrosatelliitin lokalisoinnin homologisissa paikoissa. Suurin osa tästä vaihtelusta on neutraalia, eli se ei johda patologisten prosessien kehittymiseen. Kuitenkin tapauksissa, joissa epävakaat mikrosatelliittitoistot sijaitsevat geeneissä, toistuvien elementtien määrän lisääntyminen (laajeneminen) yli sallitun normin voi merkittävästi häiritä näiden geenien toimintaa ja toteutua perinnöllisinä sairauksina, joita kutsutaan ekspansiosairauksiksi. Korkeatasoinen monien neutraalien mikrosatelliittitoistojen polymorfismi johtaa siihen, että suurimmassa osassa populaatiota ne ovat heterotsygoottisessa tilassa. Tämä polymorfisten mikrosatelliittisekvenssien ominaisuus yhdistettynä niiden yleisyyteen tekee niistä käteviä molekyylimarkkereita, jotka ovat käytettävissä käytännössä minkä tahansa geenin analysointiin.

Toinen tyyppi laajennetuista toistuvista elementeistä, joita ei enää ryhmitetä, ovat komplementaariset sekvenssit, jotka on suunnattu vastakkaisiin suuntiin suhteessa toisiinsa. Niitä kutsutaan käänteisiä tai käänteisiä toistoja. Tällaiset sekvenssit pystyvät tarjoamaan likiarvon DNA-molekyylin alueista, jotka ovat kaukana toisistaan, mikä voi olla tärkeää monien sen normaalien fysiologisten toimintojen suorittamisen kannalta.

Ohiten huomautamme, että ihmisen genomissa on monia säätelyelementtejä, joiden toiminnot liittyvät DNA-molekyylien itsensä lisääntymiseen, monien "geeniverkostot" muodostavien geenien koordinoituun työhön ja useisiin muita prosesseja. Säätelyelementit toistuvat yleensä myös monta kertaa DNA-molekyyleissä. Eukaryoottigeenit eivät ole organisoituneet operoneiksi, ja siksi jokaisella geenillä on oma säätelyjärjestelmänsä. Lisäksi korkeammilla organismeilla, mukaan lukien ihmiset, on mikro-organismeihin verrattuna ylimääräinen geeniekspression säätelyjärjestelmä. Tämä johtuu tarpeesta varmistaa eri geenien valikoiva työ monisoluisen organismin erilaistuneissa kudoksissa.

Ja lopuksi niitä on eniten hajallaan olevia toistoja, laajempi kuin satelliitti-DNA, eikä se ole ryhmitelty, vaan hajallaan genomissa erillisten elementtien muodossa. Tällaisten toistojen määrä ihmisen DNA-molekyyleissä voi nousta kymmeniin ja joskus satoihin tuhansiin kopioihin. Heidän roolinsa on vielä epäselvämpi, mutta on selvää, että niillä on pikemminkin sääntely kuin rakenteellisia tehtäviä.

Jotkut näiden toistojen tyypit pystyvät rakentamaan DNA:sta, esiintymään kromosomeista riippumatta pienten pyöreiden molekyylien muodossa ja sitten integroitumaan samaan tai muihin paikkoihin kromosomaalisessa DNA:ssa, mikä muuttaa niiden sijaintia. Tällaiset sekvenssit ovat mobiilielementit perimä. Mahdollisuutta siirtää tietyntyyppisiä mobiilielementtejä korostetaan joskus niiden nimissä, jotka englannin kielestä käännettynä kuulostavat "tramp" tai "gypsy". Liikkuvien elementtien päissä on tiettyjä rakenteellisia piirteitä, jotka antavat niille mahdollisuuden kuulua kromosomaaliseen DNA:han. Lisäksi usein näissä elementeissä itsessään on geneettistä tietoa entsyymeistä, jotka katalysoivat liittymisprosessia. Transposoituvien elementtien liikkuminen edistää genomin rakenteellista uudelleenjärjestelyä, lajien välistä (horisontaalista) geneettisen materiaalin siirtoa ja geenien mutaatioiden epävakautta. Liikkuvia elementtejä ovat joidenkin virusten sekvenssit, jotka voidaan integroida ihmisen DNA-molekyyleihin ja olla läsnä tällaisessa piilevässä lyyttisessä tilassa pitkään.

Liikkuvia elementtejä on löydetty kaikista tässä suhteessa tutkituista lajeista, kun taas eri taksonomisille ryhmille on ominaista tietyt liikkuvien elementtien luokat. Eukaryooteissa ne muodostavat erittäin merkittävän genomin komponentin. Noin 40 % hiiren genomista ja yli 45 % ihmisen genomista on miehitetty sellaisilla sekvensseillä. Siten ihmisen genomissa siirrettävien elementtien kokonaispinta-ala ylittää merkittävästi geenien kokonaisalan. Prokaryooteissa ja alemmissa eukaryooteissa liikkuvien elementtien liike tapahtuu pääasiassa liikkuvan elementin DNA:n suoran liittämisen tai transponoinnin vuoksi kromosomaaliseen DNA:han, eli nämä elementit kuuluvat luokkaan transposonit. Liikkuvan elementin tyypistä riippuen transponointimekanismit voivat olla erilaisia.

Suurin osa nisäkkäiden, myös ihmisten, liikkuvista elementeistä säilyy genomissa RNA:n retroposition kautta, eli ne ovat retroposonit. Retropositio sisältää RNA:n käänteistranskription cDNA:n muodostamiseksi ja sen transponoinnin kromosomaaliseksi DNA:ksi. Suurin osa retroposoneista on joko pitkiä (LINE) tai lyhyitä (SINE) hajallaan olevia toistoja. Ihmisillä lukuisin SINE-tyypin elementti on Alu-toisto edustettuna genomissa yli miljoonalla kopiolla. Noin kymmenesosa on LTR elementtejä, sekvenssit, jotka ovat samanlaisia ​​kuin retrovirukset, joilla on pitkät terminaaliset toistot, jotka tarjoavat niille kyvyn integroitua DNA:han. Useimpien selkärankaisten ja ihmisten genomissa laajalti edustettuina olevien kohtalaisen hajaantuneiden toistojen alkuperä liittyy suoraan käänteiskopioitujen RNA:iden retropositioon.

Viime vuosisadan 80-luvulla M. D. Golubovskin teoksissa muiden kirjoittajien kanssa osoitettiin, että siirrettävien elementtien liikkuminen on pääasiallinen syy spontaaneihin mutaatioihin luonnolliset populaatiot Drosophila. Ihmisillä näin ei ole, vaikka mutaatioita on kuvattu potilailla, joilla on tiettyjä perinnöllisiä sairauksia, koska geeniin on siirretty siirrettäviä elementtejä. Esimerkiksi joillakin potilailla, joilla oli Apertin oireyhtymä, fibroblastikasvutekijäreseptorin 2:n geenin eksonissa 9 tunnistettiin Alu-toistolisäys ( FGFR2). Joissakin tapauksissa Duchennen myodystrofiaa sairastavilla potilailla on mahdollista jäljittää Alu-elementin läsnäolo murtopisteessä, joka muodostuu geenin deleetiosta DMD. Muista, että tässä taudissa yli 60 %:lla potilaista löytyy pitkiä intrageenisiä deleetioita. Osoitettiin, että yksi deleetioiden päistä sijaitsee geenin 43. intronissa DMD, sijaitsee retrotransposonien perheeseen kuuluvan liikkuvan elementin sisällä. Korostamme kuitenkin vielä kerran, että toisin kuin Drosophilassa, ihmisillä liikkuvien elementtien liikkuminen ei ole tärkein syy mutaatioiden spontaanille esiintymiselle.

Havaitseminen ihmisen ja muiden elävien olentojen genomissa suuri numero sekvenssit, jotka pystyvät muuttamaan sijaintiaan, olivat perusta genetiikan uuden suunnan, ns liikkuva genetiikka. Transposoituvien elementtien olemassaolon ennusti ensimmäisen kerran 1950-luvulla Barbara McClintock, joka havaitsi yhdessä maissin geneettisistä linjoista epästabiilien mutaatioiden esiintymisen yhden kromosomin murtumispisteen sijainnissa. Kun murtokohtaa siirrettiin, mutaatioiden spektri muuttui vastaavasti, mikä osoittautui aina olevan lähellä tiettyä sytogeneettistä häiriötä. Nämä kokeelliset havainnot antoivat Barbara McClintockille ehdottaa, että on olemassa erityinen geneettisten elementtien luokka, joka voidaan viedä eri lokuksiin ja vaikuttaa geenimutaatioiden nopeuteen. Aluksi tämä hypoteesi ei saanut tukea tiedeyhteisön keskuudessa, mutta myöhemmin se vahvistettiin suoraan molekyylitasolla. Suuri panos kehitykseen liikkuva genetiikka osallistuivat kotimaisten tutkijoiden R. B. Khesinin, G. P. Georgievin, V. A. Gvozdevin, M. D. Golubovskin työhön.

Klassisten käsitteiden mukaisesti kaikilla genomin elementeillä on pysyvä sijainti. Kävi ilmi, että tämä säännös pätee vain niin sanottujen rakenneosien, ensisijaisesti geenien, osalta. Geenien vakaa sijainti kromosomeissa mahdollistaa sytogeneettisten karttojen rakentamisen, eli geenien paikantamisen suhteessa sytologisesti näkyviin kromosomien markkereihin. Mutta yhdessä sellaisen pakollisen tai, kuten sanotaan, velvoittaa Ihmisen DNA-molekyyleissä on suuri määrä genomin elementtejä valinnainen elementtejä, joiden läsnäolo ei ole ehdottoman välttämätöntä, ja niiden puuttuminen ei johda sairauksiin. Tällaisten valinnaisten elementtien rooli on erityisen tärkeä evoluutioprosessit. Muutokset lukumäärässä ja topografiassa valinnaiset elementit M. D. Golubovsky ehdotti kutsuvansa muunnelmat toisin kuin geenimutaatiot. Variaatioita esiintyy genomissa säännöllisesti ja usein. Valinnaiset elementit havaitsevat ensimmäisenä, mitä siinä tapahtuu ympäristöön muutoksia, ja jopa sellaisia, joilla ei ole mutageenista vaikutusta. Syntyneiden muunnelmien vaikutuksesta voi tapahtua kohdennettuja massaperinnöllisiä muutoksia tai mutaatioita, jotka ilmenevät muuntuvuusepidemioiden muodossa. Tämä ilmiö kuvattiin ensin Leningradin geneetikkojen R. L. Bergin teoksissa, jotka suoritettiin Drosophilan luonnollisille populaatioille, ja sitten L. Z. Kaidanovin teoksissa, jotka suoritettiin Drosophilan sisäsiittolinjoilla, pitkäaikaisella ei-adaptiivisen ominaisuuden valinnalla. Siten valinnaiset elementit edustavat eräänlaista RAM genomi, ja niiden rooli on erityisen tärkeä evoluutiossa.

Geenien ja toistuvien sekvenssien ohella ihmisen genomissa on monia ainutlaatuisia sekvenssejä, jotka eivät liity koodaaviin toimintoihin. Niiden joukossa on luokka pseudogeenit, sellaiset sekvenssit, jotka vaikka nukleotidikoostumukseltaan ovatkin lähellä tiettyjä geenejä, eroavat niistä monien mutaatioiden vuoksi, jotka eivät salli niiden transkriptiota tai translaatiota.

Geenien järjestely kromosomeissa ja kromosomien sisällä on hyvin epätasaista. Joillakin genomin alueilla on korkea geenitiheys, kun taas toisilla ei ole lainkaan geenejä. Eukaryoottigeenit erotetaan pääsääntöisesti ns välikappale aukkoja, joihin toistojen ohella lokalisoidaan ainutlaatuisia sekvenssejä, jotka eivät ole geenejä. Useimpien ainutlaatuisten ei-koodaavien sekvenssien tarkoitus on edelleen epäselvä. Epäselvä on myös intronien rooli - laajennetut ei-koodaavat geeniosat, jotka transkriptoidaan preRNA-molekyyleiksi alkuvaiheessa geenin ilmentymistä ja leikataan sitten pois näistä molekyyleistä mRNA:n muodostuksen aikana.

Sen lisäksi, että ihmisen genomissa on suuri määrä "redundanttia" DNA:ta, on olemassa valtava määrä esimerkkejä erittäin kompaktista tiedon pakkaamisesta geenien lokalisoinnin alueilla. Ensinnäkin joidenkin geenien intronialueiden sisällä voidaan paikantaa muita geenejä, jotka luetaan vastakkaiseen suuntaan. Esimerkki on hemofilia A -geeni - F8C koodaa veren hyytymistekijää VIII. Tämän geenin 22. intronista löydettiin 2 muuta geeniä A Ja B, jotka luetaan vastakkaiseen suuntaan. Näiden geenien tuotteilla ei ole mitään tekemistä veren hyytymistekijä VIII:n kanssa. Kuitenkin yhdelle näistä geeneistä ( A) tunnistettiin homologi, joka sijaitsee vastakkaisessa suunnassa geenin 5'-pään välittömässä läheisyydessä F8C. Kahden tällaisen lähekkäin olevan pitkän komplementaarisen sekvenssin läsnäolo edistää rakenteellisia uudelleenjärjestelyjä tällä genomin alueella ja erityisesti inversioita, toisin sanoen geenin kahden homologisen kopion välissä sijaitsevan DNA-alueen 180 0 kääntöä. A. Nämä inversiot johtavat geenin täydelliseen inaktivoitumiseen. F8C. Tällaisia ​​inversioita löytyy 45 %:lla potilaista, joilla on vakavia hemofilia A:n muotoja.

Toiseksi, geenin yleisen säätelijän, promoottorin, ohella sen intronialueet voivat sisältää lisäpromoottoreita, joista jokainen pystyy laukaisemaan preRNA-synteesin eri lähtökohdista. Tätä ilmiötä kutsutaan vaihtoehtoinen transkriptio. Tässä tapauksessa samasta geenistä voidaan muodostaa eripituisia proteiineja, joilla on yhtäläisyyksiä lopullisilla alueillaan, mutta jotka eroavat alkuperäisistä sekvensseistään. Yllättävä esimerkki säätelystä transkription tasolla on Duchennen myodystrofiageeni ( DMD). Vähintään 8 itsenäistä promoottoria suorittaa geenin vaihtoehtoisen transkription DMD V eri kudoksissa ja alkion kehityksen eri vaiheissa. geenituote DMD sydän- ja luustolihaksissa on sauvan muotoinen dystrofiiniproteiini, joka on osallisena lihaskuitukalvon eheyden ylläpitämisessä ja neuromuskulaarisen synapsin muodostumisessa. Sen ekspressio suoritetaan päälihaspromoottorista, joka sijaitsee geenin 5'-translatoimattomalla alueella. Aivojen kortikaalisella alueella ja Purkinje-soluissa geeniekspressio DMD dystrofiinin täysikokoisten aivojen isoformien muodostuminen suoritetaan kahdesta vaihtoehtoisesta promoottorista, jotka sijaitsevat geenin ensimmäisessä intronissa. Lihas- ja aivotyyppien täyspitkillä dystrofiini-isoformeilla on pieniä eroja N-pään alueilla. Alkaen geenin keskeltä ja lähempänä sen loppua, on 5 muuta promoottoria, jotka tarjoavat geeniekspression DMD muissa kudoksissa, joissa muodostuu lyhennettyjä isoformeja, niin kutsuttuja apodystrofiineja, joilla ei ole dystrofiinin N-terminaalisia osia, mutta jotka ovat homologisia sen C-terminaalisten alueiden kanssa.

Mietitäänpä, mihin kliinisiin seurauksiin niin monimutkainen geenin työn organisointi voi johtaa? Olemme jo kirjoittaneet, että Duchennen myodystrofian pääasialliset mutaatiot ovat laajennetut intrageeniset deleetiot. Erityisesti kuvattiin potilaita, joilla oli vaikea laajentunut kardiomyopatia ilman luurankolihasten heikkouden ilmenemismuotoja, joilta lihastyyppigeenin promoottorin lokalisaatioalue oli poistettu. DMD. Tällaisilla potilailla lihasdystrofiini puuttuu kokonaan. Aivotyyppiset promoottorit alkavat kuitenkin toimia kompensoivasti luurankolihaksissa ja muodostuu dystrofiinin aivoisoformeja, jotka voivat kompensoida lihasdystrofiinin puutetta. Samanaikaisesti tuntemattomista syistä tällaista kompensaatiota ei esiinny sydänlihaksessa, ja täysikokoiset dystrofiinin isoformit potilaiden sydämessä puuttuvat kokonaan. Tämä puute on tämän laajentuneen kardiomyopatian muodon etiologian taustalla. On mahdollista, että geenissä on deleetioita DMD, jotka tuhoavat vaihtoehtoisia promoottoreita, voivat myös johtaa muihin perinnöllisiin sukupuoleen liittyviin sairauksiin, joihin ei liity lihasdystrofiaa.

Ja lopuksi, yksi vaihtoehdoista tiedon pakkaamisen tiiviydelle geenien koodaavilla alueilla on vaihtoehtoinen liitos. Tämä laajalle levinnyt ilmiö koostuu intronien erilaisesta irrottamisesta samasta preRNA-molekyylistä. Tämän seurauksena muodostuu erilaisia ​​mRNA:ita, jotka eroavat toisistaan ​​​​eksonien joukossa. Tällä prosessilla on selvä kudosspesifinen luonne. Eli eri kudoksissa samaa geeniä voidaan lukea eri tavalla, mikä johtaa proteiinien kudosspesifisten isoformien muodostumiseen, vaikka niillä onkin tietty homologia keskenään, mutta eroavat toisistaan ​​merkittävästi sekä rakenteeltaan että toiminnaltaan. Erityisesti geenin kuuden viimeisen eksonin erittäin konservoituneet sekvenssit DMD vaihtoehtoisesti jatkos. Tämän seurauksena muodostuu rakenteellisesti erilaisia ​​dystrofiinien isoformeja, jotka suorittavat erilaisia ​​tehtäviä. Ottaen huomioon vaihtoehtoinen transkriptio ja silmukointi, yhdestä geenistä muodostuneiden tuotteiden lukumäärä DMD saavuttaa useita kymmeniä. Tällä hetkellä tutkitaan aktiivisesti lukuisten dystrofiinin isoformien toimintoja, joita esiintyy runsaasti erilaisissa erikoistuneissa kudoksissa ja jotka kykenevät olemaan vuorovaikutuksessa erilaisten proteiinien kanssa, ei vain lihas- tai hermosoluperäisiä. Näin ollen yksi ja sama geeni voi sisältää tietoa useiden, joskus jopa kymmenien eri proteiinien rakenteesta.

Ei niin kuin mitokondrioiden genomi on järjestänyt kromosomaalisen genomin. Olemme jo maininneet, että noin 5% ihmisen DNA:sta sijaitsee mitokondrioissa - solun energiahuollosta vastaavissa organelleissa. Mitokondrio DNA koostuu lähes kokonaan geeneistä ja säätelyelementeistä. Se sisältää geenejä kuljetusta ja ribosomaalista RNA:ta varten sekä geenejä, jotka koodaavat viiden oksidatiivisen fosforylaatiokompleksin eri alayksiköitä. Mitokondrioiden DNA-geenien mutaatiot johtavat myös perinnöllisiin sairauksiin, joista puhumme myöhemmin. Mitokondrio-DNA:sta puuttuu toistuvia ja ainutlaatuisia ei-koodaavia sekvenssejä, joita on niin runsaasti ihmisen kromosomaalisessa DNA:ssa. Lisäksi mitokondriogeenit eivät sisällä introneita. Bakteerien genomi on järjestetty samalla tavalla. Ja tämä samankaltaisuus viittaa mitokondrioiden bakteeriperäiseen alkuperään. Tietenkään mitokondriot eivät ole nyt olemassa erillisinä organismeina, ja niiden DNA on täysin sukua ihmisen genomin elementteihin.

Samanlaisia ​​elementtejä, joilla on tietty rooli ihmisen genomin toiminnassa, ovat vieraat ja ekstrakromosomaaliset DNA - lineaariset ja pyöreät plasmidit sekä virus- ja bakteerisytosymbionttien DNA. Tietenkin nämä ovat valinnaisia ​​elementtejä, eikä niiden läsnäoloa ihmissoluissa ole ehdottomasti vaadittu.

Eukaryoottisen genomin rakenteelle on siis ominaista kaksi paradoksia: valtavan määrän "redundantteja" ei-koodaavia DNA-sekvenssejä, joiden toiminnot eivät aina ole meille selviä, ja erittäin kompakti tiedon pakkaus geenien lokalisointipaikat. Korostamme vielä kerran, että myös genomin rakenne on lajin ominaisuus. Eri yksilöt, kansat ja rodut eivät eroa toisistaan ​​paitsi geenien, myös muiden genomin elementtien, kuten toistojen, spacer aukkojen, säätelysekvenssien, pseudogeenien, sarjassa ja lokalisoinnissa. Ja monilla genomin liikkuvilla elementeillä on korkea lajispesifisyys. Siten perinnöllisyys sanan laajassa merkityksessä määräytyy erityyppisten organismien genomin rakenteen perusteella. Intraspesifinen vaihtelevuus perustuu geenien variaatioihin, mutaatioihin ja rekombinaatioihin. Lajien välisen evoluution vaihteluun liittyy genomisella tasolla tapahtuvia rakenteellisia muutoksia. Nämä määräykset ovat erittäin tärkeitä erityisesti ihmisen perinnöllisen patologian molekyylisen luonteen ymmärtämisen kannalta.

Muista mikä aine on kantaja perinnöllistä tietoa elävissä organismeissa. Tarkista, mikä geeni on. Mitkä ovat geenityypit? mitä eroa on rakenteellisten ja säätelevien geenien välillä?

Geenirakennekaavio

Kaikilla geeneillä on sama rakenne. Ne koostuvat useista osista (kuva 20.1). Minkä tahansa geenin pääosa on se, joka sisältää tietoa proteiinin tai RNA-molekyylin (geenituotteen) rakenteesta. Tämä on geenin koodaava osa. Muu osa geenistä on ei-koodaavaa. Ne eivät sisällä tietoa niiden molekyylien rakenteesta, joiden synteesin geeni tarjoaa. Mutta he ovat vastuussa geenin toiminnasta.

Geenin ei-koodaavat alueet ovat promoottori ja terminaattori. Promoottori on geenin alue, josta RNA-synteesi alkaa, terminaattori on alue, johon tämä synteesi päättyy. Lisäksi geeni sisältää säätelyalueita, jotka säätelevät sen toimintaa.

prokaryoottiset geenit

Prokaryoottisten geenien rakenne on suhteellisen yksinkertainen. Useimmiten jokainen näistä geeneistä sisältää tietoa vain yhdestä rakenteesta - proteiini- tai RNA-molekyylistä.

Prokaryoottisten organismien geenit ovat usein järjestäytyneet operoneiksi. Operoni on useista rakennegeeneistä koostuva rakenne (kuva 20.2). Sen avulla prokaryootit voivat syntetisoida useiden geenien tuotteita kerralla. Operonin rakennegeenit sijaitsevat peräkkäin ja kaikilla on yksi yhteinen promoottori, yksi yhteinen terminaattori ja yksi yhteinen operaattori, joka säätelee sen toimintaa.

Esimerkki operonista olisi Escherichia colin laktoosioperoni. Se sisältää geenejä, jotka koodaavat entsyymejä, joita tarvitaan hiilihydraattilaktoosin synteesiin.

eukaryoottiset geenit

Toisin kuin prokaryoottien geenit, eukaryoottisten organismien geenit eivät muodosta operoneja. Jokaisella niistä on oma promoottori ja terminaattori. Lisäksi näiden geenien rakenne on monimutkaisempi. ne sisältävät DNA:n osia, jotka eivät sisällä geenituotteen (proteiini- tai RNA-molekyylien) synteesiin tarvittavaa tietoa. Tällaisia ​​alueita kutsutaan introneiksi. Niitä osia, jotka sisältävät tarvittavat tiedot, kutsutaan eksoneiksi. Tyypillisesti eukaryoottigeeni sisältää useita introneita ja eksoneja (kuva 20.3).

Säätelyalueet ovat tärkeitä eukaryoottigeenien komponentteja. Näiden kohtien avulla solu voi nopeuttaa tai hidastaa geenituotteiden synteesiä. Tämän rakenteen ansiosta eukaryoottiset organismit voivat säädellä geenien toimintaa erittäin hienosti.

Elävien organismien geenien toiminnan kannalta tarvitaan erityisiä paikkoja tietojen lukemisen aloittamiseen (promoottori), säätelyyn ja loppuunsaattamiseen (päättäjä). Prokaryoottisten organismien geenit voidaan yhdistää erityisryhmiksi - operoneiksi, joilla on yhteinen promoottori, operaattori ja terminaattori. Eukaryoottisten organismien geenit sisältävät ei-koodaavia (introneja) ja koodaavia (eksoneja) DNA-alueita. Lisäksi näillä geeneillä on säätelyalueita, jotka muuttavat niiden työn nopeutta.

Testaa tietosi

1. Miksi geenit tarvitsevat promoottorin? 2. Miksi geenit tarvitsevat terminaattorin? 3. Mikä on operoni? 4. Mitä ovat intronit? 5. Vertaa prokaryoottien ja eukaryoottien geenejä.

Tämä on oppikirjamateriaalia.

eukaryoottinen genomi paljon monimutkaisempi kuin prokaryoottien. Eukaryoottisolun geneettinen laite eristetään muodossa solun ydin, jossa ovat tärkeimmät perinnöllisyyden kantajat - kromosomit. Kromosomien lukumäärä on lajikohtaista ja vaihtelee kahdesta (hevosmato) tuhanteen (alemmat kasvit). DNA:n määrä eukaryoottisoluissa on paljon suurempi kuin bakteereissa. Se arvioidaan käyttämällä C-arvoa, DNA:n määrää haploidista kromosomien lukumäärää kohti, ts. genomissa. Se vaihtelee klo eri tyyppejä 10 4 - 10 11, eikä se useinkaan korreloi lajin organisoitumisen tason kanssa. Suurimmat C:n arvot, jotka ylittävät ihmisen genomin DNA-pitoisuuden, ovat tyypillisiä joillekin kaloille, sammakkoeläimille ja liljoille.

Yksi ominaisuudet eukaryoottinen genomi on DNA:n rakenteellinen ja toiminnallinen suhde proteiineihin. Se johtuu geneettisen tiedon siirtoprosessin ja proteiinien säätelytoiminnon erityispiirteistä. Tieto siirtyy solusta soluun monimutkaisen solunjakautumisprosessin (mitoosi tai meioosi) aikana. Sen täydelliseksi ja tarkaksi jakautumiseksi tytärsolujen välillä interfaasissa tapahtuu DNA:n määrän kaksinkertaistamisprosessi ja jakautumisen (profaasin) alussa - interfaasikromosomien kondensaatioprosessi. Seurauksena on, että kromosomit muodostavat tiiviin, tiheän kappaleen. Kromosomien tiivistäminen eliminoi riskin niiden takertumisesta anafaasin eri napoihin poikkeamisen aikana. Nämä kromosomien rakenteelliset muutokset sisältävät ydinproteiineja - histoneja, jotka suorittavat DNA:n superkiertymistä. Histonit toimivat myös interfaasikromosomien matriisiaktiivisuuden säätelijöinä, tk. histonin yhteys kromosomin toimivaan osaan muuttaa sen heterokromaattiseksi, ts. erittäin kiertynyt ja siksi inaktiivinen tila.

Proteiinien läsnäolo eukaryoottisten kromosomien koostumuksessa, joiden lukumäärä kaksinkertaistuu synkronisesti DNA:n päällekkäisyyden kanssa, pidentää kromosomien replikaatioprosessia.

Eukaryoottisen genomin tyypillinen piirre on DNA:n redundanssi, jonka määrä ylittää huomattavasti sen, mikä on tarpeen kaikkien soluproteiinien rakenteen koodaamiseksi. Yksi syy redundanssiin on toistuvien nukleotidisekvenssien läsnäolo. Heidän olemassaolonsa perustettiin ensimmäisen kerran 60-luvun lopulla. 20. vuosisata Amerikkalaiset tutkijat R. Britten ja D. Davidson tutkiessaan DNA:n renaturaation (yksisäikeisten uudelleenyhdistymisen) kinetiikkaa. Nyt on todettu, että eukaryoottinen DNA sisältää kahden tyyppisiä toistoja: kohtalaisen toistuvia b.p. ja erittäin toistuva b.s. Kohtalaisia ​​toistoja esiintyy kymmenien ja satojen kopioiden muodossa; niiden keskikoko on ≈ 300-400 bp. Ne voivat olla suoria ja käänteisiä (palindromeja). Toistojen välissä on ei-toistuvia DNA-osia. Erittäin toistuva b.s. ovat lyhyitä DNA-fragmentteja (kymmeniä emäsparia), joita edustaa suuri määrä kopioita (jopa 106). Joissakin tapauksissa näiden toistojen emästen koostumus eroaa koko genomista, minkä seurauksena toistot voivat muodostaa erillisen fraktion, jolla on tietty kelluvuustiheys. Tätä fraktiota kutsutaan satelliitti-DNA:ksi. Sitä ei koskaan kopioida, minkä vuoksi sitä kutsutaan myös "hiljaiseksi". On todettu, että satelliitti-DNA sijoittuu kromosomien heterokromaattisille alueille: telomeereihin, sentromeerin lähelle, ytimeen. Sen uskotaan suorittavan säätelytoimintoa tarjoamalla kromosomien rakenteellisia muutoksia prosessin aikana, kun geneettistä tietoa siirretään solusta soluun.

DNA:n redundanssi eukaryoottigenomissa johtuu suurelta osin myös siitä, että se sisältää monia nukleotidisekvenssejä, jotka eivät koodaa proteiinien rakennetta. Jotkut niistä ovat osa geenejä, kuten intronit - insertit. Lisäksi on ns. signaalisekvenssejä, joita ei transkriptoidu, vaan jotka toimivat vain säätelevien proteiinien sitomiseen. Näitä ovat promoottorit, kohdat, jotka säätelevät kromosomien spiralisoitumista; kromosomien kiinnityskohdat karaan jne.

Vain muutama geeni on läsnä eukaryootin genomissa yhdessä kopiossa. Suurin osa niistä on esitetty eri kopioiden määrällä. Muodostuvat vierekkäin sijaitsevat identtiset geenit klustereita. Klusterien olemassaolo puhuu iso rooli geenien päällekkäisyyksiä genomien evoluutiossa. Esimerkki klustereista: erytrosyyttiproteiinien geenit - globiinit. Hemoglobiini on tetrameeri, joka koostuu 4 polypeptidiketjusta: 2α ja 2β. Jokaista ketjutyyppiä koodaavat klusteriin järjestäytyneet geenit. Ihmisillä α-klusteri sijaitsee 11. kromosomissa ja β-klusteri sijaitsee 16. kromosomissa. P-klusteri käsittää 50 kb:n DNA-alueen. ja sisältää viisi toiminnallisesti aktiivista geeniä ja yhden pseudogeenin. pseudogeenit- Nämä ovat toimimattomia jäännösgeenejä, jotka ovat syntyneet kerran aktiivisten geenien mutaatiomuutosten seurauksena. Niitä ei ilmaista. Klusterin geenit ovat erillään toisistaan välikkeet- transkriptoimattomat insertit, jotka voivat joskus sisältää säätelyalueita.

Suurin ero eukaryoottisten geenien ja prokaryoottisten geenien välillä Useimmilla niistä on epäjatkuva rakenne ja ne koostuvat koodausosista - eksonit ja koodaamattomat liitteet - intronit. Eksonien pituus on 100 - 600 bp ja intronien pituus useista kymmenistä useisiin tuhansiin emäspariin. Intronit voivat muodostaa jopa 75 % geenin pituudesta. Geenien epäjatkuva rakenne luo perustan niiden työn tarkemmalle ohjaukselle.

Epäjatkuvien geenien transkription seurauksena muodostuu primaarituote - pro-mRNA, joka on täydellinen kopio geenistä ja sisältää sekä eksoneja että introneita vastaavia osia. Transkriptioprosessi sisältää kolme eri tyyppejä RNA-polymeraasit, jotka lukevat erilaisia ​​geenejä. RNAP-I lukee rakennetta koodaavat geenit erilaisia ​​muotoja rRNA (5,8S, 18S, 28S). RNAP-II transkriptoi geenejä, jotka koodaavat proteiinien ja joidenkin snRNA:iden rakennetta. Lopuksi RNAP-III lukee 5S-rRNA-, siirto-RNA- ja snRNA-geenit. Proteiinikompleksi, joka koostuu eri määrästä proteiinin transkriptiotekijöitä, osallistuu transkriptioprosessin käynnistämiseen. Nisäkkäillä se koostuu 12-14 polypeptidistä kokonaispaino 600 kDA:lla. Tietyt säätelyalueet ovat mukana transkription intensiteetin säätelyssä - tehostajat Ja äänenvaimentimet. Ensimmäinen tehostaa, jälkimmäinen heikentää transkriptioprosessia. Ne voivat olla tuhansien bp:n päässä promoottorista. Niiden hallinnassa syntetisoidaan säätelyproteiineja. Transkription aikana promoottori ja tehostaja (tai äänenvaimennin) lähestyvät toisiaan DNA:n rakenteellisten muutosten vuoksi, ja säätelyproteiinit ovat vuorovaikutuksessa transkriptiotekijöiden tai RNA-polymeraasin kanssa.

Jotta pro-mRNA voisi toimia templaattina proteiinisynteesiä varten, sen on läpäistävä kypsymisjakso (prosessointi). Tämän ajanjakson päätapahtuma oli introneja vastaavien alueiden poistaminen pro-mRNA:sta ja jäljellä olevien eksonien yhdistäminen yhdeksi ketjuksi. Eksonien "linkittämistä" kutsutaan jatkos. Pienillä tuman RNA:illa (snRNA:illa) ja proteiineilla on tärkeä rooli silmukoitumisessa. Prosessi etenee samalla tavalla kaikissa eukaryooteissa. snRNA-molekyylit ovat komplementaarisesti vuorovaikutuksessa sekä pro-mRNA:n kanssa että toistensa kanssa. Ne varmistavat intronien poistamisen ja pitävät eksonit lähellä toisiaan.

Liitosprosessi voi olla luonteeltaan vaihtoehtoinen, ts. eksonin ristisilloitus voidaan suorittaa erilaisia ​​yhdistelmiä. Monet geenit sisältävät kymmenkunta tai useampia eksoneja, joten kypsien mRNA-varianttien lukumäärä = 2 n, Missä n on eksonien lukumäärä. Vaihtoehtoinen silmukointi tekee tiedontallennusjärjestelmästä taloudellisen, koska yhdestä geenistä voidaan lukea tietoa eri proteiinien synteesiä varten. Lisäksi se luo mahdollisuuden säädellä tiedonkulkua riippuen solun tarpeesta tietylle proteiinituotteelle. Vaihtoehtoista silmukointia käytetään erityisesti immunoglobuliinien, transkriptiotekijöiden ja muiden proteiinien synteesissä.

Täydelliseen mRNA:n kypsymiseen kuuluu sen molempien päiden modifiointi: cap-rakenteen kiinnittäminen 5'-päästä ja polyadenyyliketjun lisääminen 3'-päästä. Korkkirakenne muodostetaan kiinnittämällä guaniininukleotidin 5'-pää mRNA:n terminaaliseen emäkseen.

Käännösmekanismi eukaryootit eivät pohjimmiltaan eroa prokaryooteista. Kuitenkin huomattavasti suurempi määrä proteiinin translaatiotekijöitä osallistuu tämän proteiinisynteesin vaiheen palvelemiseen kuin bakteereissa.

Eukaryoottisen genomin rakennetta luonnehdittaessa ei voi olla mainitsematta kromosomien erikoistuneita päätyosia - telomeerejä. Telomeerinen DNA koostuu lyhyistä nukleotidilohkoista, jotka toistuvat monta kertaa. Telomeeristä DNA:ta tutkittiin ensimmäistä kertaa yksisoluisissa alkueläimissä.

Se koostuu 6-8 nukleotidiparin lohkoista. Yhdessä ketjussa tämä on lohko TTGGGG (G-rikas ketju), toisessa se on AACCCC (C-rikas ketju). Ihmisillä tämä sekvenssi eroaa yhdellä TTAGGG-emäksellä, kasveissa on yleinen lohko TTTAGGG. Telomeerisen DNA:n pituus ihmisillä vaihtelee välillä 2-20 tuhatta emäsparia. Telomeerista DNA:ta ei koskaan kopioida, ja se on osa satelliitti-DNA:ta. Telomeraasientsyymi on vuorovaikutuksessa kromosomien telomeeristen alueiden kanssa, mikä eliminoi niissä esiintyvät vauriot. Telomeerien lyheneminen tämän entsyymin aktiivisuuden vähenemisen aiheuttaman pääteosien menetyksen seurauksena liittyy solujen ikääntymisprosessiin.

Merkittävä ero eukaryoottisen genomin toiminnassa prokaryoottiseen genomiin on geenien toiminnan säätelyn monitasoisuus. Prokaryooteissa vain yhden tyyppinen säätely on mahdollista - transkription tasolla operonijärjestelmän avulla. Eukaryooteissa geenien epäjatkuvan rakenteen vuoksi tämäntyyppiseen säätelyyn lisätään transkription jälkeinen (silmukointi, modifikaatio) säätely ja translaatiotason säätely (translaatioambiguiteetti). Lisäksi histonien läsnäolo kromosomeissa mahdollistaa geenien toiminnan ryhmäohjauksen käyttämällä DNA:n rakenteellisten muutosten mekanismia - kromosomiosien siirtoa aktiivisesta (eukromaattisesta) inaktiiviseen (heterokromaattiseen) tilaan. . Tällaiset transformaatiot vaikuttavat joskus kokonaisiin kromosomeihin ja jopa koko genomiin. Esimerkki kromosomaalisesta säätelytasosta on sukupuolikromatiinin (Barr-kappaleiden) muodostuminen naarasnisäkkään ja ihmisen soluissa. Tämä on suuri kromatiinirae, joka on yksi kahdesta X-kromosomista, maksimaalisesti kondensoitunut ja siksi inaktiivinen. Esimerkki genominlaajuisesta inaktivaatiosta on eläinten spermiogeneesi, jonka aikana kaikki siittiöiden kromosomit tiivistyvät, mikä tekee niistä inaktiivisia. Tämä on suojamekanismi sukusoluille, jos niiden DNA vaurioituu (esimerkiksi säteilytyksen aikana). Niissä syntyvät mutaatiot, jos ne eivät ole tappavia, voivat ilmetä vasta, kun miehen genomin toiminnallinen aktiivisuus palautuu alkion erilaistumisen aikana. Useimpien mutaatioiden resessiivinen luonne kuitenkin viivästyttää niiden mahdollista ilmenemistä ainakin seuraavaan sukupolveen (ennen siirtymistä homotsygoottiseen tilaan) tai sulkee sen pois kokonaan.

1. Geneettisen materiaalin yleiset ominaisuudet. Geneettisen laitteen organisoitumistasot .

Perinnöllisyys ja vaihtelevuus ovat elävien perusominaisuuksia, kuten ne ovat ominaisia ​​minkä tahansa organisaatiotason eläville olennoille. Tiedettä, joka tutkii perinnöllisyyden ja vaihtelevuuden lakeja, kutsutaan GENETTIIKSI

PERINÄYTTÖ on elävien järjestelmien ominaisuus siirtää sukupolvelta toiselle morfologian, toiminnan ja yksilön kehityksen piirteitä tietyissä ympäristöolosuhteissa.

VARIABIILISUUS on tytärorganismien kykyä erota vanhemmista morfologisissa ja fysiologisissa ominaisuuksissa ja yksilön kehityksen piirteissä.

PERINÄYTTÖ on tapa siirtää geneettistä tietoa: sukusolujen kautta - seksuaalisen lisääntymisen aikana tai somaattisten solujen kautta - suvuttoman lisääntymisen aikana, ts. munasolun ja siittiön tai somaattisen solun aineellinen perusta.

PERINTÖÖLLISYYS on perinnöllisyyden ja vaihtelevuuden korrelaatioaste.

GEENI on perinnöllisyyden ja vaihtelevuuden yksikkö. Nykyaikaisten ideoiden mukaan geeni on DNA-molekyylin osa, joka tarjoaa tietoa tietyn polypeptidin synteesistä. Organismin geenijoukkoa, jonka se saa vanhemmiltaan, kutsutaan GENOTYYPiksi, ja geenien sisältöä haploidissa kromosomijoukossa kutsutaan GENOMiksi.

Kaikkien organismin ulkoisten ja sisäisten merkkien kokonaisuutta kutsutaan FENOTYYPIKSI, ja erillistä merkkiä kutsutaan ILMIÖksi. Esimerkiksi nenän, korvarenkaan, varpaiden ja käsien muoto, hiusten väri ovat ulkoisia fenotyyppisiä piirteitä, mahalaukun rakenteellisia piirteitä, veren leukosyyttien ja punasolujen pitoisuus ovat sisäisiä fenotyyppisiä piirteitä.

GENEETTINEN MATERIAALI - solukomponentit, joiden rakenteellinen ja toiminnallinen yhtenäisyys takaa perinnöllisen tiedon tallentamisen, toteutuksen ja siirron vegetatiivisen ja seksuaalisen lisääntymisen aikana. Geneettisellä materiaalilla on elävien universaaleja ominaisuuksia: diskreettisyys, jatkuvuus, lineaarisuus, suhteellinen stabiilius

DISKREETIÄ geneettisestä materiaalista, ts. geenin, kromosomin (kytkentäryhmän), genomin olemassaolo paljastuu muodossa: joukko alleelia, jotka muodostavat kytkentäryhmän, joukko kytkentäryhmiä, jotka muodostavat genomin.

Geneettisen materiaalin JATKUVUUS (kromosomin fyysinen eheys) paljastuu monien geenien kytkeytymisenä keskenään.

LINEAR (geneettisen tiedon tallennuksen yksiulotteisuus) - tietyssä geenisekvenssissä kytkentäryhmissä tai geenin sisällä.

SUHTEELLINEN STABILITEETTI tai kyky konvariantille replikaatiolle, ts. varianttien ilmaantuminen ja säilyminen lisääntymisen aikana paljastuu mutaatiovaihteluina.

Kaikki nämä ominaisuudet ovat DNA-molekyylillä tai harvemmin RNA:lla (joissakin viruksissa), joihin on koodattu perinnöllistä tietoa.

Geneettisen materiaalin tärkeimmät ominaisuudet ovat:

1. Geeni tallentaa ja välittää tietoa.

2. Geeni pystyy muuttamaan geneettistä informaatiota (mutaatioita).

3. Geeni pystyy korjaamaan ja siirtämään sen sukupolvelta toiselle (prosessi, jolla palautetaan normaalin DNA-biosynteesin aikana solussa kemiallisten tai fysikaalisten tekijöiden vaurioitunut DNA:n luonnollinen rakenne).

4. Geeni pystyy toteuttamaan - geenin koodaaman proteiinin synteesin kahden matriisiprosessin osallistumisen kanssa: transkription ja translaation.

5. Geneettinen materiaali on vakaa. Geneettisen materiaalin stabiilius varmistetaan: - diploidisella kromosomisarjalla; - DNA:n kaksoiskierre; - rappeutuminen geneettinen koodi; - joidenkin geenien toisto; - vaurioituneen DNA-rakenteen korjaaminen.

Geenin diskreetti piilee alayksiköiden läsnäolossa. Vaihtelevuuden perusyksikköä, mutaatioyksikköä kutsutaan MUTONiksi ja rekombinaatioyksikköä RECON. Mutonin ja reconin vähimmäiskoot vastaavat yhtä nukleotidiparia ja niitä kutsutaan nimellä c a ja t. Siten SITE on geenin rakenneyksikkö.

Nykyaikaisten, jalostettujen käsitteiden mukaan Geeni on genomisen nukleiinihappomolekyylin alue, jolle on tunnusomaista sille spesifinen nukleotidisekvenssi, joka edustaa funktion yksikköä, joka eroaa muiden geenien toiminnasta ja voi muuttua mutaation seurauksena. Geenit ovat heterogeenisiä. Ne on jaettu rakenteellisiin ja toiminnallisiin.

Geenien päätehtävät ovat geneettisen tiedon tallentaminen ja välittäminen. Geneettisen tiedon siirtyminen tapahtuu DNA:n replikaation aikana (solujen lisääntymisen aikana) ja DNA:sta mRNA:n kautta proteiiniin (solujen normaalin toiminnan aikana).

Järjestelmä geneettisen tiedon tallentamiseksi molekyyleihin nukleiinihapot spesifisen nukleotidisekvenssin muodossa kutsutaan GENEETISEKÄ KOODIA. Ilmiötä, jossa DNA-molekyylin nukleotidien järjestys vastaa proteiinimolekyylin aminohappojen järjestystä, kutsutaan KOLINEAARISUUDEKSI.

GENEETTINEN KOODI - tallennusjärjestelmä, joka on luontainen kaikille eläville organismeille

Geneettisen koodin ominaisuudet:

1) universaalisuus - yksi tripletti koodaa samaa aminohappoa kaikissa elävissä olennoissa;

2) tripletti - so. yksi aminohappo vastaa kolmea vierekkäistä nukleotidia;

3) ei-päällekkäinen - yhtä nukleotidia ei voida sisällyttää samanaikaisesti kahteen tai useampaan triplettiin;

4) rappeutuminen (redundanssi) - useat tripletit voivat koodata yhtä aminohappoa;

5) ilman erottelevia merkkejä.

1. Genetiikka - perinnöllisyyden ja vaihtelevuuden tiede - elävien olentojen perusominaisuudet.

2. Yleiskäsitteet geneettisestä materiaalista ja sen ominaisuuksista.

3. Geenien päätoiminnot. Geneettinen koodi ja sen ominaisuudet.

4. Perinnöllisen materiaalin rakenteellisen organisoinnin tasot: geeni, kromosomaalinen, genominen.

5. Pro- ja eukaryoottisolujen geenijärjestelmä. Ytimen ja sytoplasman rooli perinnöllisen materiaalin välittämisessä.

Tripletti on geenin perusfunktionaalinen yksikkö, ja nukleotidipari on sen rakenneyksikkö.

Perinnöllisen materiaalin rakenteellisessa ja toiminnallisessa organisaatiossa on seuraavat tasot: geeni, kromosomaalinen ja genominen.

GENE-organisaatiotason perusrakenne on geeni. Tällä tasolla tutkitaan DNA-molekyylin rakennetta, proteiinien biosynteesiä jne. Geenien suhteellisesta riippumattomuudesta johtuen yksittäisten ominaisuuksien diskreetti (erillinen) ja itsenäinen periytyminen (Mendelin kolmas laki) ja muutokset (mutaatiot) ovat mahdollisia.

Eukaryoottisolujen geenit ovat jakautuneet pitkin kromosomeja muodostaen perinnöllisen materiaalin KROMOSOMAISEN järjestäytymistason. Tämä järjestäytymistaso toimii välttämättömänä edellytyksenä geenien kytkeytymiselle ja vanhempien geenien uudelleenjakautumiselle jälkeläisissä sukupuolisen lisääntymisen aikana (crossing over).

Organismin koko geenisarja käyttäytyy toiminnallisesti kokonaisuutena ja muodostaa yhden järjestelmän nimeltä GENOME. Sama geeni eri genotyypeissä voi ilmetä eri tavoin. Genominen järjestäytymistaso selittää geenien vuorovaikutuksen sekä samassa että eri kromosomeissa.

2. Geenin käsite. Geenien rakenteellinen järjestäytyminen prokaryooteissa ja eukaryooteissa. Geenien luokittelu.

prokaryoottinen genomi

Prokaryoottien molekyyliorganisaation pääpiirre on ytimen puuttuminen niiden soluista, jonka ydinkalvo erottaa sytoplasmasta. Ytimen puuttuminen on vain ulkoinen ilmentymä prokaryoottien genomin erityisjärjestelystä.

Prokaryoottinen genomi on rakennettu erittäin kompaktiksi. Koodaamattomien nukleotidisekvenssien määrä on minimaalinen. Monet eukaryooteissa käytetyt geeniekspression säätelymekanismit eivät koskaan esiinny prokaryooteissa. Prokaryoottisen genomin rakenteen yksinkertaisuus selittyy niiden yksinkertaistuneella elinkaarella.

Geeni on perinnöllisen tiedon yksikkö, joka sijaitsee tietyssä asemassa genomissa tai kromosomissa ja ohjaa tietyn toiminnon suorittamista kehossa. Prokaryoottien, pääasiassa E. collin, tutkimuksen tulosten mukaan geeni koostuu kahdesta pääelementistä: säätelyosasta ja varsinaisesta koodaavasta osasta. Geenin säätelyosa tarjoaa ensimmäiset vaiheet geenin rakenneosan sisältämän geneettisen tiedon toteuttamisessa; geenin rakenneosa sisältää tietoa tietyn geenin koodaaman polypeptidin rakenteesta. Ei-koodaavien sekvenssien määrä geenin rakenneosassa prokaryooteissa on minimaalinen. Prokaryoottisen geenin 5" päässä on tyypillinen säätelyelementtien järjestäytyminen, erityisesti 50 - 70 bp:n etäisyydellä transkription aloituspisteestä. Tätä geenin aluetta kutsutaan promoottoriksi. Se on tärkeä geenin transkriptiolle, mutta Vastakkainen 3" - pää on terminaattorialue, joka on välttämätön transkription lopettamiseksi. Se ei myöskään transkriptoidu RNA:ksi. Transkriptio alkaa aloituspisteestä (+1).

Transkription lopettamisesta signaloivat DNA-sekvenssit sijaitsevat geenin 3'-päässä ja niitä kutsutaan transkription terminaattoreiksi, ja ne sisältävät sekvenssejä, jotka muodostavat transkriptoidun RNA:n hiusneularakenteen.

Kromosomin lisäksi useimmilla bakteereilla on muita autonomiseen replikaatioon kykeneviä rakenteita - plasmideja. Nämä ovat kaksijuosteisia pyöreitä DNA:ita, joiden koko vaihtelee 0,1 - 5 % kromosomin koosta ja jotka sisältävät geenejä, jotka ovat valinnaisia ​​isäntäsolulle, tai geenejä, joita tarvitaan vain tietyssä ympäristössä. Nämä ekstrakromosomaaliset elementit sisältävät geenejä, jotka antavat periytyvän resistenssin yhdelle tai useammalle antibiootille soluissa. Niitä kutsutaan vastustekijöiksi tai K-tekijöiksi. Muut plasmidit määrittävät patogeenisten bakteerien, kuten patogeenisten E. coli -kantojen, ruton ja tetanuksen, patogeenisyyden. Toiset taas määrittävät maaperän bakteerien kyvyn käyttää epätavallisia hiililähteitä, kuten öljyhiilivetyjä.

eukaryoottinen genomi

Eukaryoottisoluille on ominaista hyvin muodostuneen ytimen läsnäolo. Heidän genominsa informaatiomakromolekyyli on DNA, joka on jakautunut epätasaisesti useisiin kromosomeihin komplekseina lukuisten proteiinien kanssa. Solujen geneettinen informaatio ei kuitenkaan sisällä vain ytimen kromosomeja. Tärkeää geneettistä informaatiota sisältyy myös kromosomin ulkopuolisiin DNA-molekyyleihin. Eukaryooteissa tämä on kloroplastien, mitokondrioiden ja muiden plastidien DNA. Eukaryoottisen organismin genomi ymmärretään tällä hetkellä haploidisen kromosomijoukon ja kunkin monisoluisen organismin ituradan yksittäisen solun sisältämän kromosominulkoisen geneettisen elementin kokonais-DNA:na.

Eukaryoottinen genomi eroaa merkittävästi prokaryoottigenomista useilla tavoilla, joiden joukossa on syytä huomata sen redundanssi. Eukaryoottisolu sisältää monta kertaa enemmän geenejä kuin prokaryoottisolu. Lisääntynyttä DNA:n pitoisuutta eukaryoottisessa genomissa ei voida selittää pelkästään näiden organismien lisääntyneellä geneettisen lisäinformaation tarpeella organisoinnin monimutkaisuuden vuoksi, koska suurinta osaa niiden genomisesta DNA:sta edustavat yleensä ei-koodaavat nukleotidisekvenssejä. Ilmiö eukaryoottisen genomin merkittävästä redundanssista suhteessa ei-koodaaviin nukleotidisekvensseihin tunnetaan "paradoksina C".

Eukaryoottista geeniä voidaan pitää kokoelmana DNA-segmenttejä, jotka yhdessä muodostavat ekspressoituneen yksikön, joka on vastuussa spesifisen toiminnallisen tuotteen, joko RNA-molekyylin tai polypeptidin, muodostumisesta.

DNA-segmentit, jotka muodostavat geenin, sisältävät seuraavat elementit:

Transkriptioyksikkö on DNA:n osa, joka koodaa

ensisijainen transkriptio. Se sisältää: a) sekvenssin, joka löytyy kypsistä toiminnallisista RNA-molekyyleistä; b) intronit (mRNA:lle); c) välisekvenssit - spacerit (rRNA:ta varten). Intronit ja välikkeet poistetaan

ensisijaisten transkriptien käsittelyn aikana; d) 5'- ja 3'-translatoimattomat sekvenssit (5'-NTP ja 3'-NTP).

Vähimmäisjaksot aloittamiseen

transkriptio (promoottori) ja transkription loppu (terminaattori).

Sekvenssejä, jotka säätelevät transkription aloituksen frekvenssiä, jotka vastaavat transkription indusoituvuudesta ja tukahduttamisesta, sekä transkription solu-, kudos- ja ajaspesifisyydestä. Ne ovat rakenteeltaan, sijainniltaan ja toiminnaltaan erilaisia. Näitä ovat tehostajat

ja äänenvaimentimet ovat DNA-sekvenssejä, jotka sijaitsevat

tuhat emäsparia eukaryoottisen geenin promoottorista ja

jolla on etävaikutus sen transkriptioon.

Toisin kuin prokaryoottiset geenit, jotka ovat lähes aina kollineaarisia RNA:nsa kanssa, monilla eukaryoottigeeneillä on mosaiikkirakenne. Mosaiikki viittaa tässä tapauksessa koodaavien (eksonit) ja ei-koodaavien (inserttisekvenssit tai intronit) sekvenssien vuorotteluun transkriptioyksikössä. Intronit löytyvät useimmiten proteiineja koodaavista geeneistä.

Merkittävä osa eukaryootin genomista (10 - 30 %) koostuu toistuvista sekvensseistä, joilla on tietty rakenteellinen organisaatio ja jotka pystyvät liikkumaan genomissa sekä saman kromosomin sisällä että kromosomien välillä. Niitä kutsutaan liikkuviksi geneettisiksi elementeiksi.

Liikkuvia geneettisiä elementtejä on kaksi pääluokkaa: transposonit ja retrotransposonit. Tämä luokittelu perustuu molekyylimekanismeihin, joilla nämä alkuaineet liikkuvat.

Geeniluokitus

Kertynyt tieto geenien rakenteesta, toiminnoista, vuorovaikutuksen luonteesta, ilmentymisestä, muuttuvuudesta ja muista ominaisuuksista on synnyttänyt useita muunnelmia geenien luokittelusta.

Geenien sijainnin mukaan solurakenteissa erotetaan kromosomeissa sijaitsevat tumat, tumageenit ja sytoplasmiset geenit, joiden lokalisointi liittyy kloroplasteihin ja mitokondrioihin.

Toiminnallisen merkityksensä perusteella ne erotetaan: rakennegeenit, joille on tunnusomaista niiden proteiinituotteita koodaavat ainutlaatuiset nukleotidisekvenssit, jotka voidaan tunnistaa proteiinin toimintaa häiritsevien mutaatioiden avulla, ja säätelygeenit - nukleotidisekvenssit, jotka eivät koodaa spesifisiä. proteiinit, mutta säätelevät geenin toimintaa (estäminen, lisäävät aktiivisuutta jne.).

Vaikutuksen mukaan solun fysiologisiin prosesseihin on olemassa: tappavat, ehdollisesti tappavat, supervitaalit geenit, mutaattorigeenit, antimutaattorigeenit jne.

On huomattava, että kaikki kehon biokemialliset ja biologiset prosessit ovat geenivalvonnan alaisia. Siten solun jakautumista (mitoosi, meioosi) ohjaavat useat kymmenet geenit; geeniryhmät ohjaavat geneettisen DNA-vaurion palautumista (korjausta). Onkogeenit ja kasvainsuppressorigeenit osallistuvat normaaliin solunjakautumisen prosesseihin. Organismin yksilöllistä kehitystä (ontogeneesiä) ohjaavat monet sadat geenit. Geenimutaatiot johtavat proteiinituotteiden synteesin muuttumiseen ja biokemiallisten tai fysiologisten prosessien häiriintymiseen.

Drosophilan homeoottiset mutaatiot ovat mahdollistaneet sellaisten geenien olemassaolon löytämisen, joiden normaalina tehtävänä on valita tai ylläpitää tietty alkion kehityspolku, jota solut seuraavat. Jokaiselle kehityspolulle on ominaista tietyn geenisarjan ilmentyminen, jonka toiminta johtaa lopputuloksen ilmestymiseen: silmät, pää, rintakehä, vatsa, siipi, jalat jne. Drosophilan geenien tutkimukset amerikkalaisen geneetikko Lewisin bithorax-kompleksi osoitti, että tämä on jättimäinen klusteri läheisesti toisiinsa liittyviä geenejä, joiden toiminta on välttämätöntä rinnan (rintakehän) ja vatsan (vatsan) normaalille segmentoinnille. Tällaisia ​​geenejä kutsutaan homeobox-geeneiksi. Homeobox-geenit sijaitsevat DNA:ssa ryhmissä ja osoittavat toimintansa tiukasti peräkkäin. Tällaisia ​​geenejä löytyy myös nisäkkäistä, ja niillä on korkea homologia (samankaltaisuus).

26. Geenien rakenne prokaryooteissa ja eukaryooteissa. Genomin käsite.

Gene on perinnöllisen tiedon yksinkertaisin toiminnallisesti kiinteä yksikkö. Aineellisesti geeni on DNA-molekyylin osa, joka sisältää tietoa yksinkertaisesta tietystä rakenteesta tai toiminnasta - geneettistä tietoa. Geneettisen tiedon spesifisyyden määrää geenin nukleotidisekvenssi. Siten eri geenit eroavat rakenteellisesti toisistaan ​​nukleotidisekvenssissä, joka määrittää niiden toiminnalliset erot.

Geenien ensisijaiset toiminnot toteutuvat transkriptioprosessissa (RNA-synteesi). Samanaikaisesti kunkin geenin toiminnan toteutuminen riippuu muista geeneistä, ts. ilmenee tietyssä geenijärjestelmässä - genomissa.

Perimä on joukko tietylle ominaiselle geenille ominaisia ​​geenejä systemaattinen ryhmä eliöt. Rakenteellisesti genomi on joukko geenejä, jotka sijaitsevat tietyn tyyppisen organismin solun kaikkien DNA-molekyylien yhdessä kopiossa, ts. yksi kopio solun koko geneettisestä materiaalista.

Genomi - lajin geneettinen ominaisuus, joka on ominaista tietylle alueelle lajit organismit: ihmisen genomi, punataudin ameebagenomi, HIV-genomi. Johtuen siitä, että evoluutio tapahtuu divergenssin kautta toisiinsa liittyvien systemaattisten ryhmien välillä, genomin sisältö ja organisaatio muuttuvat.