Презентация на тему "Молекулярно-генетический уровень"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Молекулярно-генетический уровень

• 
  Слайд 2

  Схема генетического контроля индивидуального развития на разных этапах

• 
  Слайд 3

  Как устроен ген?

  Тонкая структура гена эукариот. Определение гена. В молекулярной биологии существует два подхода: Ген – это участок ДНК, соответствующий единице транскрибции. То есть – это участок ДНК, кодирующий информацию о каком-то продукте (белке). Ген – это участок ДНК, включающие сам структурный ген и окружающие его регуляторные зоны – промоторы, энхансеры, санлейсеры и др. Будем придерживаться второй точки зрения.

• 
  Слайд 4
  

  Регуляторные последовательности эукариотического генома (по Георгиеву, 1989).

  А - регуляторные последовательности эукариотического вируса SV40; «Сердцевинные» последовательности энхансеров и важнейшие последовательности промотора; Б – схема «усредненного» эукариотического гена, состоящего из 6 экзонов (Е) и 5 интронов (i) (в масштабе). Указаны энхансеры (En) и сайленсер (S) с их сердцевинными последовательностями (блоки внутри), возможные места положения энхансеров, элементы промотора, нетранслируемые области (5′ - NT и 3′ - NT) гена. Инициирующий кодон (AUG).

• 
  Слайд 5

  Структурный ген

  состоит из экзонов, кодирующих последовательности ДНК с информацией о первичной структуре белка и интронов – не кодирующих информацию о структуре белка. Интроны разделяют экзоны. Количество экзонов и интронов – варьирует. Например: рекордное число интронов (около 50) найдено в гене, кодирующем аминокислотную последовательность белка коллагена. Размеры интронов и экзонов – также колеблются в широких пределах – например в гене, кодирующем коллаген есть экзоны кодирующие последовательность в 15-18 аминокислот (45-54 пар оснований). Размер интронов иногда составляет несколько десятков пар нуклеотидов, но изредка, как у дрозофиллы могут достигать нескольких десятков тысяч пар.

• 
  Слайд 6

  Как работает ген?

  Во время транскрибции, когда к ДНК присоединяется РНК-полимераза, кодирующая часть гена начинается инициирующим кодоном и заканчивается терминирующим. Кодирующая часть гена располагается в центральнй части иРНК и подлежит трансляции. Кодирующей части предшествует 5′ - нетранслируемая область, а за ней следует 3′ - нетранслируемая область. Их размеры варьируют в разных типах иРНК. Эти области, вероятнее всего участвуют в регуляции процессов трансляции. Имеются данные, что 3′ - нетранслируемая область определяет время жизни иРНК, а 5′ - нетранслируемая область влияет на эффективность процесса трансляции.

• 
  Слайд 7

  Процесс созревания иРНК

  (превращение «юной» иРНК в «зрелую» иРНК) происходит в результате сплайсинга и процессинга. Особенностью этого процесса явлвется то, что в процессе сплайсинга одной исходной иРНК могут образоваться разные по количеству экзоновиРНК (пример с белком кальцитонина – в клетках щитовидной железы иРНК строится из экзонов 1,2,3 и 4, а в клетках мозга – из экзонов 1,2,3,5 и 6. Это явление носит название альтернативный сплайсинг.

• 
  Слайд 8

  Точка инициации транскрибции

  Для большинства генов начало иРНК и начало первичного транскрибта на ДНК – совпадают. «Кэпирование» 5′ - конца это процесс, при котором происходит присоединение к 5′ - концу юной иРНК 7-метилгуанозинтрифосфатной группы. «Кэп» сохраняется в иРНК и получил название кэп-сайт. Этот участок сохраняется в иРНК и совпадает с началом молекулы уже зрелой иРНК.

• 
  Слайд 9

  Адениловый хвост прерывает транскрибцию

  3′ - конец первичного транскрибта («юной» иРНК) также совпадает с 3′ - концом зрелой иРНК. Он не сохраняется в неприкосновенности, а в большинстве случаев к нему присоединяются аденилатные остатки. В результате этого процесса на конце молекулы зрелой иРНК формируется поли(А) хвост, содержащий 100-250 нуклеотидов.

• 
  Слайд 10

  Регуляторная часть гена

  Перед кодирующим участком гена находится регуляторные единицы, иногда на расстоянии нескольких десятков тысяч единиц пар нуклеотидов. Первый участок – промотор. Он находится перед кэп-сайтом и определяет правильность инициации транскрибции.

• 
  Слайд 11

  В промоторе центральным элементом является ТАТА-бокс

  Эта последовательность в усредненном виде выглядит как ТАТААА и окружена короткими районами обогащенными GC – парами. ТАТА-бокс располагается на расстоянии 25 пар нуклеотидов перед кэп-сайтом. ТАТА-бокс вместе с промотором служат для связывания с ДНК факторов транскрибции, необходимых для образования комплекса РНК-полимеразы с ДНК и для запуска синтеза иРНК.

• 
  Слайд 12

  Основной контроль транскрибции

  Основной контроль транскрибции контролируется цис-регуляторными последовательностями нескольких видов: Энхансеры - усилители транскрибции; Сайленсеры - ослабители транскрибции; Инсуляторы – MAP/SAR последовательности, обеспечивающие относительную автономность функций гена и его регуляторных последовательностей, т.е. относительную независимость транскрибции от функционального состояния соседних генов.

• 
  Слайд 13
  

  Межмолекулярные взаимодействия на промоторе РНК – полимеразыII(Патрушев, 2000 г)

• 
  Слайд 14

  Местоположение цис-регуляторных элементов

  Энхансерыи сайленсеры могут находиться в самых разных местах структурного гена: А) перед кодирующей частью на расстоянии 3-10 и более тысяч п.н. от кэп-сайта. Б) непосредственно в интронах; В) за сайтом полиаденилирования Г) перекрываться с с кодирующими последовательностями.

• 
  Слайд 15

  Энхансеры

  - короткие последовательности ДНК (100-200 пар оснований), состоят из нескольких модулей (коротких олигонуклеотидов – отвечающих за связывание определенного регуляторного белка); - могут действовать на больших расстояниях (независимо от того далеко ли они от точки инициализации синтеза иРНК или после точки терминации; - механизм действия – создание благоприятной конформационной ситуации в соответствующем участке ДНК. - каждый энхансер может взаимодействовать с целым рядом регуляторных белков, которые вырабатываются в определенных тканях - взаимодействие белкового фактора и энхансера может контролироваться гормонами, металлами, низкомолекулярными веществами и др. ИТОГ: Энхансеры включают и выключают некоторые гены.

• 
  Слайд 16
  

  Между энхансерами и сайленсерами нет четкого разграничения. Одна и та же последовательность может выступать и в роли энхансера и в роли сайленсера. Активация (через энхансеры) или подавление транскрибции (через сайленсеры) происходит в зависимости от того, какие регуляторные белки вырабатываются в клетках данного типа

• 
  Слайд 17
  

  Модель организации интерфазной хромосомы, основанная на предположении о том, что ядерный матрикс представляет собой систему канальцев (Ярова, 1997 г.)

• 
  Слайд 18

  Второй уровень компактизации хроматина

  Образование хромомеров возможно за счет специфических последовательностей нуклеотидов, которые специфически взамодействуют с ядерным матриксом (или ядерным скэффолдом – скелетом). Такие последовательности называются MAR (Matrix AssociatidRegoin) или SAR (Scaffold AssociatidRegoin) MAR/SAR. Возможно, именно MAR/SAR последовательности выполняют функции инсуляторов. Инсулятор – это цис-регуляторный элемент, который блокирует взаимодействие между энхансером и промотором, если он расположен между ними.

• 
  Слайд 19

  Многоуровневый принцип регуляции экспрессии генов

• 
  Слайд 20

  Транскрипционный уровень

  Этот уровень обеспечивается состоянием ДНК и связанных с ней гистонов в структуре нуклеосом. Нуклеосома состоит из двух полных витков ДНК (83 пары нуклеиновых оснований на один виток), закрученных вокруг «кора», представляющего собой белковый (гистоновый) октамер. В деконденсированнной форме хроматина каждая такая «бусинка» связана с соседней частицей нитевидным участком линкерной ДНК.

• 
  Слайд 21
  

  Белковый «кор» содержит по две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, и Н4. Полипептидная цепь гистонов содержит от 102 до 135 аминокислотных остатков.

• 
  Слайд 22
  
• 
  Слайд 23

  Процессы, влияющие на транскрибцию

  На транскрибцию влияют два химических процесса: метилирование, действующее непосредственно на ДНК; ацетилирование, действующее на белки хромосом.

• 
  Слайд 24
  

  Метилированиепроисходит при действии фермента метилазы, который присоединияетметильную группу к цитозину. Этот процесс меняет конформацию ДНК, что действует на процесс транскрибции.

• 
  Слайд 25

  Факты:

  При исследовании процесса дифференциации куриных и человеческих эритроцитов было обнаружено, что в них ДНК, кодирующая глобины полностью не метилирована, в то время как ДНК, кодирующая гены глобинов в других клетках метилирована в высокой степени.

• 
  Слайд 26
  

  При исследовании процессов связанных с переключением при синтезе иммуноглобулинов с одного типа на другой – обнаружено деметилированиесоответсвующих генов в ДНК.

• 
  Слайд 27
  

  Состояние метилирования может передаваться от одной клетки к другим в ряду клеточных поколений. ДНК ядер ППК у самцов – метилированы слабо. Гены в ДНК яйцеклеток и сперматозоидов – метилированы интенсивно. Но степень метилирования в яйцеклетках и сперматозоидах может отличаться. Это отцовский и материнский импринтинг, который привносит дополнительную информацию в наследуемые геномы и она может регулировать поведение хромосом в пространстве и времени.

• 
  Слайд 28

  Итог по метилированию

  Метилирование не является универсальным способом репрессии генома. Оно широко распространено среди позвоночных, но его нет, например, у дрозофилы.

• 
  Слайд 29

  Ацетилирование гистонов

  Это открытие было сделано амер. Биохимиком Олфри (V.Ollfrei, 1964) с коллегами, который обнаружил, что неацитилированные гистоны тормозят транскрибцию ДНК на первом этапе экспрессии генов. А, ацетилирование гистонов, напротив, редуцирует это торможение. Олфри предположил, что ацетилирование гистонов делает их структуру более «рыхлой», открывая доступ к ДНК, делая ее гены доступными для белков-регуляторов транскрибции, а деацитилирование «уплотняет» структуру гистонов и закрывает доступ агентам активирующим транскрибцию. Впоследствии было доказано, что ацетилирование обратимый процесс и осуществляется по специфическим лизиновым остаткам, которые находятся в NH2 – терминальном домене молекул гистонов.

• 
  Слайд 30

  Белки, регулирующие транскрибцию

  В молекулярной биологии описаны многочисленные негистоновые белки, способные связываться с ДНК и регулировать экспрессию генов на транскрибционном уровне. За связываение с ДНК ответственны небольшие участки (домены) белковых молекул, содержащие до100 аминокислот, отвечающих за конформацию белка, необходимую для связывания с ДНК.

• 
  Слайд 31

  3 домена белков, регулирующих транскрибцию

  А-Спираль-поворот-спираль(helix-turn-helix, HTH). Этот домен белковой молекулы продуцируется гомеозисными генами и построена из α-спиралей (спираль узнавания), которая ложится в большую бороздку молекулы ДНК, а другая располагается в малой бороздке молекулы ДНК. Б- «Цинковые пальцы». Это активаторы транскрибции важные в развитии и определении пола. Эта часть домена белковой молекулы содержит от 2 до 10 повторяющихся единиц, которые состоят из около 30 аминокислотных остатков и 7-11 атомов цинка. Г- «Лейциноваязастежка». Молекула этого белка содержит 4-5 остатков лейцина, которые отделены друг от друга 7 молекулами других аминокислот. Присутствие другой такой же структуры рядом позволяет им замыкаться наподобие застежки-молнии.

• 
  Слайд 32

  Эффект положения

  Происходит за счет того, что какой либо ген в результате инверсии или транслокации может попасть в гетерохроматиновую зону конститутивного хроматина и потерять способность к транскрибции. Важную роль в гетерохроматизации играют белки, содержащие «цинковые пальцы». Иногда гетерохроматинизации могут подвергаться значительные области хромосомы

• 
  Слайд 33

  Дифференциальная активность генов

  Этот фактор регуляции транскрибции связан с дифференциальнайактивностью родительских генов. Пример: гетерохроматинизация одной из Х-хромосом, которая превращается в тельце Барра. Причем эта Х-хромосома может быть и отцовского и материнского происхождения. Процесс гетерохроматинизация одной из Х-хромосом происходит на очень ранних этапах развития (у человека и макаки тельца Барра появляются на стадии 11-дневной бластоцисты в клетках трофобласта и на 16-19 день в клетках тела эмбриона, то есть на стадии 2000-5000 клеток). Образование телец Барра происходит не во всех клетках эмбриона (в клетках оогоний и ооцитов гетеропикноз не происходит).

• 
  Слайд 34

  Амплификация генов

  Амплификация генов – это способ многократного усиления транскрибции за счет умножения групп определенных генов. Факт: амплификация рибосомных генов в оогенезе ооцитов амфибий, рыб, а также у некоторых насекомых. Избыточная рДНК имеет внехромосомнуюлокализацию в виде многочисленных ядрышек внутри ядра ооцита. Большинство таких рДНК имеет вид колец. Амплификация ядрышковых организаторов происходит во время мейоза на стадии пахитены. Иногда количество добавочных ядрышек достигает 1 000, а количество копий рДНК достигает в них 2500-5000. Напротив, умножение количества одного гена в гигантских полиплоидных клетках шелкоотделительной железы тутового шелкопряда достигается за счет высокой степени полиплоидизации. Если на один гаплоидный геном приходится 1-3 гена фиброиновой ДНК, то при полиплоидизации – их количество возрастает до тысячи.

• 
  Слайд 35

  Диминуция хроматина

  Это явление связано с уменьшением количества генетического материала. Явление диминуции было открыто Боверив 1887 г. при развитии аскариды. Он описал различия в поведении хромосом соматических и половых клеток аскариды на ранних этапах развития. В соматических клетках Бовери наблюдал отрыв утолщенных концов хромосом. Оторвавшиеся фрагменты – не имея центромер, остаются в районе экватора веретена и впоследствии дегенерируют. А в клетках «зародышевого пути развития хромосомы сохраняют свою целостность, обеспечивая преемственность полноценной передачи наследственной информации потомкам.

• 
  Слайд 36
  

  Как же можно выжить потеряв часть хромосомы? Оказалось, что у аскариды – на концах хромосом находятся не структурные гены, а часто повторяющиеся последовательности, которые составляют около 10% от всего хроматина. Кроме того после диминуции происходит восстановление теломерных участков хромосом – повтор TTAGGC.

• 
  Слайд 37

  Влияние подвижных элементов

  Иногда при мутации вставки в середину нормального гена встает подвижный генетический элемент (ПГЭ) и тогда происходит нарушение работы энхансеров, работа которых тормозится присутствующим ПГЭ.

• 
  Слайд 38

  Постранкрибционный уровень

  Первым этапом этого уровня является созревание иРНК – процессинг, осуществляемый путем сплайсинга. На втором этапе – «зрелая» иРНК стабилизируется. К ней присоединяются адениниловые концы (polyA) от которых зависит время ее жизни в цитоплазме. Определяется время ее участия в трансляции. На третьем этапеиРНК транспортируется из ядра в цитоплазму. Это происходит с разной скоростью, например гистоноваяиРНК выходит быстрее всех. То есть на этапе выхода – имеет место селекция по скорости выхода из ядра. Часть иРНК деградирует прямо в ядре. Итог: дифференциальная стабильность иРНК – один из механизмов, который может определять дифференциацию клеток, так как время ее жизни и скорость попадания в цитоплазму отражаются на интенсивности синтеза соответствующих белков.

• 
  Слайд 39

  Скорость трансляции

  Скорость трансляции определяется набором тРНК и активностью аминоацилтРНК-синтетаз. Обнаружено, что в дифференцирующихся клетках амфибий набор тРНК различен, а в недифференцирующихся клетках – сходен.

• 
  Слайд 40
  

  Пострансляционный уровень Важную роль в поддержании определенной концентрации белка в клетке играет его концентрация, которая определяется скоростью его синтеза и распада. Обнаружены специальные гены, которые контролируют это соотношение.

• 
  Слайд 41
  

  Итог: Комплексное влияние различий в скорости трансляции, формировании мультиферментных комплексов, связывание белков с мембранами или ингибиторами – является важным фактором в обеспечении биохимического признака в клеточном фенотипе. Следствие: на многочисленных этапах регуляции этого процесса может быть значительный разрыв между моментом реализации генетической программы и временем появления кодируемого белка в клетке.

• 
  Слайд 42

  Благодарю за внимание!