ВАЖНЕЙШИЕ ОТКРЫТИЯ ГЕНЕТИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ 1865 – открытие Г. Менделем факторов наследственности 1868г - открытие ДНК швейцарским врачом Ф. Мишером из спермы лосося. Он назвал его нуклеином 1871 – Ч.Дарвин опубликовал книгу «Происхождение человека и половой отбор» 1881 – Кассель получил аденин, гуанин, сахар и фосфорную кислоту из нуклеина 1900 – формальное рождение генетики. Независимая публикация статей Г.де Фриза, К. Корренса и Э. Чермака с изложением основных законов генетики

1902 – В, Саттон и Т.Бовери создают хромосомную теорию наследственности 1905 – У. Бетсон предложил название генетика 1910 – Т. Морган установил, что гены находятся в хромосомах. А. Кассель получил Н.П. За установление того, что в состав нуклеиновой кислоты входят аденин, гуанин, цитозин и тимин

1922 – Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов о параллелизме в изменчивости родственных групп растений 1934 – Белозерский обнаружил ДНК в растениях 1931 – Барбара Мак-Клинток продемонстрировала явление кроссинговера 1938 – Ф. Гриффит открыл феномен трансформации (невирулентный штамм пневмококков превращался в вирулентный при смешивании с убитым вирулентным штаммом)

1940- Дж. Бидл и Э.Татум сформулировали теорию – один ген – один фермент 1944 – Эвери из Рокфеллеровского института (США) показал, что за феномен трансформации отвечает ДНК 1950 – Э. Чаргафф сформулировал правило- количество А равно Т, количество Г равно Ц. Барбара Мак-Клинток показала существование транспозонов. (Н.П. В 1983 г) Джеймс Уотсон и Френсис Крик открыли двойную спираль ДНК (Н.П г). 60 – 70 годы 19 века – сформулированы канонические представления в молекулярной биологии

1951 – Р.Франклин и М. Уилкинс получили рентгенограмму ДНК Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали структурную модель ДНК - двойную спираль ДНК (Н.П г) г- А. Корнберг открыл ДНК-полимеразуIи механизм биологического синтеза ДНК и РНК ( Н.П. Совместно с С. Очоа 1959 г) 1958 – М. Мезельсон и Ф. Сталь – полуконсервативный механизм репликации ДНК 1961 – начата расшифровка генетического кода. Н.П г М.У. Ниренберг, Р.У.Холли, Х.Г.Корана 1962 – Дж. Гердон клонировал лягушку 60 – 70 годы 19 века – сформулированы канонические представления в молекулярной биологии

1969 – Х.Г.Корана синтезировал химическим путем ген 1970 – открытие обратной транскриптазы. Н.П Г. Темин и Д.Балтимор 1972 –Пол Берг и Г.Бойер – получили первые рекомбинантные ДНК. Н.П Заложены основы генной Инженерии С. Коэн и Г. Бойер - стратегия переноса генов в бактериальные клетки 1974 – С. Милстайн и Г. Келер технология получения моноклональных антител. Н.П. вместе с Н.Ернев 1984

1975 – С. Тонегава показал расположение генов иммуноглобулинов в ДНК эмбриональных и лимфоинных клеток (Н.П. 1987) 1977 – У. Гилберт, А.Максам и Ф. Сенгер - быстрые методы секвенирования ДНК. (Н.П. 1980) 1976 – компания Genentech – перенос гена инсулина человека в бактериальную клетку 1985 – К.Б. Мюллис – ПЦР 1988 – начало международного проекта «Геном человека» 1995 – определена нуклеотидная последовательность Haemophilus influenzae. Становление геномики

1997 – открытие прионов С. Прузинер ( Н.П. 2000) Я. Вильмут клонировал овечку Долли 1998 – определена нуклеотидная последовательность ДНК Caenorabditis elegans. Феномен РНК-интерференции 1999 – полностью секвенирована 21 хромосома человека Клонирование мыши и коровы. Открытие оксида азота как регулятора 2000 – Черновой вариант генома человека и дрозофилы. Клонирование свиньи завершение программы «Геном человека»

Нуклеиновые кислоты ДНК Нуклеотид Азотистое основание Пентоза Остаток фосфорной кислоты РНК

Нуклеотид Азотистое основание (А или Г или Т или Ц или У) Пентоза (рибоза или дезоксирибоза) Фосфат Тимин Тиминовый нуклеотид

Азотистые основания Пуриновые Пиримидиновые Аденин Гуанин Цитозин ТиминУрацил А Г Ц ТУ ДНКРНК

аденингуанин тиминцитозин

Функции нуклеотидов мономеры нуклеиновых кислот Носители химической энергии в их легкогидролизуемой фосфоангидридной связи (АТФ) С другими группами образуют коэнзимы (СоА, НАДН) Сигнальные молекулы сАМР

Цепь ДНК А Ц Динуклеотид –5-фосфодиэфирная связь

Пары оснований Принцип строения ДНК А = Т Г = Ц ! Водородные связи

Правила Чаргаффа 1.Количество А =Т 2.Количество Г=Ц 3.А+Г=Т=Ц кол-во пуринов=кол-ву пиримидинов 4.Соотношение А+Ц: Г+Т разное у разных ДНК

ДНК РНК

Большая бороздка Малая бороздка

АВZ Формы ДНК

Физические параметры ДНК Диаметр – 2 нм Расстояние между парами нуклеотидов – 0,34 нм 1 поворот спирали – 10 пар оснований Длина ДНК в самой длинной чел хромосоме – 8см, во всех хромосомах одной клетки 2 м Длина ДНК в 1 млрд раз больше ширины В организме человека – клеток поэтому Общая длина ДНК у человека км, т.е. В 1000 раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца. В гаплоидном наборе человека 3,2 млрд пар нуклеотидов В ядре 7 пг ДНК

Молекулярная структура хромосом - гигантские нуклеопротеидные комплексы из ДНК, белков (гистоны и негистоновые) и РНК 1)Нуклеосомы – 200 п.н. на поверхности октамера гистонов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4) 2)ДНП фибриллы – 30 нм- за счет ассоциации октамеров нуклеосом с гистоном Н1. В одном нуклеомере нуклеосом. Степень компактизации – 40 3)Петли – по тыс. п.н. в виде розетки с фиксированной плотной центральной зоной. Это нклеомер. Хромомер, содержит нуклеомеров. 4)Домены – хромомеры образуют хромонемы

Нуклеосома состоит из ядра - участка ДНК 147 п.н. закрученной 1 2/3 витка вокруг гистонового октамера Октамер включает по 2 молекулы Н2А, Н2В, Н3 и Н4 внутри и по разные концы торчат димеры Н2А/Н2В. На входе и выхоле нуклеосомы соединяются с ДНК по одному Н1.

Топология ДНК в хромосомах Некодируюшая ДНК участвует в формировании и модуляции макроструктуры хромосомы – гетеро- и эухроматина При переносе гена в область гетерохроматина наблюдается его инактивация (эффект положения) Отдельные участки некодирующей ДНК могут использоваться как места посадки белков-скрепок, обеспечивающих различную упаковку хроматина

Компактность - другое принципиальное отличие генома эукариот от прокариотического генома. При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК прокариот. Выделяют, по крайней мере, 4 уровня компактизации ДНК. При этом нить ДНК "укорачивается" в раз. Это все равно, что нить, длиной с Останкинскую башню (500 м), уложить в спичечный коробок (5см). Два первых уровня компактизации эукариотического генома обеспечиваются гистонами. Компактность генома эукариот

Общая характеристика гистонов Гистоны - основные белки. Все они обогащены лизином и аргинином - положительно заряженными аминокислотами. Выделяют 5 фракций гистонов. Нарабатывается их очень много - 60 млн. молекул каждой фракции на клетку. Все гистоны, кроме Н1, черезвычайно консервативны в эволюционном отношении (у коровы и клевера разница в Н2А всего в одну аминокислоту!). Следовательно, эти белки выполняют принципиальную функцию, которая у всех эукариот обеспечивается одинаково. Любая мутация в гистоновых генах летальна. Н1 - очень вариабельная фракция. Этот гистон различен не только у видов, но даже у одного организма, в зависимости от стадий онтогенеза. В гистонах лизин и аргинин располагаются кластерами. Положительно заряженные аминокислоты гистонов обеспечивают электростатические взаимодействия с ДНК. Гидрофобная часть необходима для взаимодействия гистонов между собой.

Четыре уровня компактизации ДНК 1. Нуклеосомный уровень. В основе нуклеосомы лежит гистоновый октамер. Расположение гистонов не случайно. Каждая молекула представлена дважды. Они образуют кор (серцевину) нуклеосомы. На кор наматывается ДНК левых витка спирали. Нуклеосомой называется повторяющийся структурный элемент хроматина, содержащий гистоновый октамер и ~180 п.н. ДНК. Непосредственно с октамером контактирует 145 п.н. и п.н. между нуклеосомными корами. Нуклеосомный уровень упаковки свойственен всей эукариотической ДНК, он дает укорочение в 7 раз. Диаметр увеличивается с 20 Å до 110 Å. Гистоновые октамеры "скользят" по ДНК.

Нуклеосомы

2. Супербидный, или соленоидный, уровень. Фактически обеспечивается Н1 гистоном. Н1 взаимодействует с октамерами, сближает их, и еще на него наматывется ДНК. Образуется супербид. Происходит сокращение линейного размера ДНК в 6-10 раз. Диаметр увеличивается до 300Å. Этот уровень компактизации, как и первый, не зависит от первичной структуры ДНК.

3. Петлевой уровень. Обеспечивается негистоновыми белками. Они узнают определенные последовательности ДНК и связываются с ними и друг другом, образуя петли по тыс. п.н. Петля обеспечивает экспрессию гена, т.е петля является не только структурным, но и функциональным образованием. Есть участки, в которых нет петель.Укорочение за счет петель проходит в раз. Образуются и петлевые домены. Диаметр увеличивается до 700Å.

Петли ДНК

4. Метафазная хромосома. Метафазная хромосома уже удвоена. Она состоит из двух хроматид. Каждая из них содержит одну молекулу ДНК. Сюда входят белки ядерной мембраны, серия белковых нитей, сопряженных с ядерной оболочкой и пронизывающих все ядро. Чем больше в геноме А-Т пар, тем больше возможностей для изменения вторичной структуры ДНК. При суперспирализации ДНК А-Т богатые участки плавятся в первую очередь.

В метафазной хромосоме размер ДНК уменьшен в 8000 раз

Пространственная организация хромосомных доменов в ядре Петли ДНК закреплены на ядерном матриксе. Имеют участки origin и связаны с топоизомеразой II Участки прикрепления имеют MAR элементы (matrix Associated region) и регуляторные элементы генов – промоторы, энхансеры, сайленсеры, инсуляторы.

Функция некодирующей ДНК может быть связана с формированием и изменением макромолекулярной организации хромосом

Политенные хромосомы

Функция ДНК: хранение и передача генетической информации в ряду поколений

1. Перенос информации от ДНК к месту синтеза белка Функции РНК: 2. Транспорт аминокислот к месту синтеза белка 3. Создание структур для синтеза белка 4. Ферментативная активность

РНК Пентозарибоза Азотистые основания У А У Г Ц Цепь одна

Молекулярная структура хромосом - гигантские нуклеопротеидные комплексы из ДНК, белков (гистоны и негистоновые) и РНК 1)Нуклеосомы – 200 п.н. на поверхности октамера гистонов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4) 2)ДНП фибриллы – 30 нм- за счет ассоциации октамеров нуклеосом с гистоном Н1. В одном нуклеомере нуклеосом. Степень компактизации – 40 3)Петли – по тыс. п.н. в виде розетки с фиксированной плотной центральной зоной. Это нклеомер. Хромомер, содержит нуклеомеров. 4)Домены – хромомеры образуют хромонемы

Топология ДНК в хромосомах Некодируюшая ДНК участвует в формировании и модуляции макроструктуры хромосомы – гетеро- и эухроматина При переносе гена в область гетерохроматина наблюдается его инактивация (эффект положения) Отдельные участки некодирующей ДНК могут использоваться как места посадки белков-скрепок, обеспечивающих различную упаковку хроматина