Структура и функция гена у про- и эукариот Доцент А.В Шапкина Тезисы с иллюстрациями

Генетика - наука о наследственности и изменчивости организмов. Дискретными единицами наследственности являются гены. Химическая основа гена- молекула ДНК

Классификация генов Структурные гены : ГОФ, ГСФ Регуляторные гены Регуляторные последовательности Количество структурных генов

СТРУКТУРНЫЕ ГЕНЫ У человека насчитывается около 30 тысяч структурных генов, часть из них экспрессирована - активна Среди функционирующих генов различают гены «домашнего хозяйства»-ГОФ(гены общеклеточных функций) и гены «роскоши»-ГСП(гены специализированных функций)

ГОФ-ГЕНЫ ОБЩЕКЛЕТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ Гены обеспечивают осуществление универсальных клеточных функций (гены рРНК, тРНК и др), они экспрессированы постоянно

ГСФ-гены специализированных функций Гены экспрессируются в специализированных клетках, определяя их фенотип; они регулируются (гены глобинов, иммуноглобулинов).

Гены как единицы функции Структурные гены содержат информацию о структуре белка и РНК (рибосомальных и транспортных) Регуляторные гены координируют активность структурных генов на уровне клетки и на уровне организма( ген-регулятор лактозного оперона, ген ТFМ и др.) Регуляторные последовательности на уровне ДНК (промотор,оператор,терминатор,энхансеры,сайленсеры, элемент перед промотором), их функция выявляется при взаимодействии со специфическими белками

Организация генов у прокариот Независимые гены Транскрипционные единицы Опероны - основной способ организации

СТРОЕНИЕ ЛАКТОЗНОГО ОПЕРОНА Оперон состоит из трех структурных генов,общего промотора, оператора и терминатора. Гены регулируются координированно

Регуляция экспрессии генов у прокариот Для прокариот характерна регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции и осуществляется регуляторным геном. Лактозный оперон может быть «выключен»-репрессирован или включен- экспрессирован.

СОСТОЯНИЕ ОПЕРОНА Оперон «включен»: лактоза поступает в клетку и соединяется с белком–репрессором, оператор освобождается и РНК-полимераза соединяется с промотором; осуществляется процесс транскрипции Оперон «выключен» - белок репрессор соединен с оператором, РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, транскрипция отсутствует; синтеза ферментов нет

Регуляция экспрессии генов у прокариот на уровне транскрипции

ТРАНСКРИПЦИЯ

ОСОБЕННОСТИ ЭУКАРИОТ Клетки эукариот имеют одинаковую ДНК, но фенотипически различаются. В клетках экспрессируются разные гены, соответственно синтезируются разные мРНК и белки. Экспрессия генов (например, глобина) регулируется на различных уровнях реализации генетической информации.

Организация генов у эукариот Независимые гены Повторяющиеся гены Кластеры генов (гены глобинов в составе А и В кластеров)

Регуляция экспрессии генов у эукариот Уровни регуляции: Претранскрипционный Транскрипционный Постранскрипционный Трансляционный Пострансляционный

Претранскрипционный уровень Спирализация и деспирализация хроматина Метилирование цитозина в определенных сайтах молекулы ДНК

Особенности экспрессии генов Сложная инициация транскрипции Регулирование скорости и интенсивности транскрипции Наличие сплайсинга

Регуляция на уровне транскрипции Действие стероидных гормонов на транскрипцию

Посттранскрипционный уровень В сплайсосомах происходит удаление интронов и соединение экзонов с образованием мРНК

МОЗАИЧНЫЕ ГЕНЫ Для эукариот характерно наличие мозаичных генов. Их открытие позволило по-новому объяснить наличие избыточной ДНК, не входящей в структурные гены

Строение мозаичного гена Ген состоит из экзонов и интронов, начинается экзоном и заканчивается экзоном Порядок расположения экзонов в гене совпадает с их расположением в мРНК, интроны удаляются из первичного транскрипта и отсутствуют в зрелой мРНК На границе экзон-интрон имеется определенная постоянная последовательность нуклеотидов ГТ-АГ Особенности строения мозаичного гена позволяют максимально использовать генетическую информацию Возможность альтернативного сплайсинга

Пример строения мозаичного гена

Дерепрессия генов глобина Генетический контроль на уровне организма на примере дерепрессии генов глобина на разных стадиях эмбриогенеза

Структура гемоглобина

Дерепрессия генов глобина Образование гемоглобина происходит путем последовательной дерепрессии генов и включает три стадии: Эмбриональный гемоглобин Гемоглобин плода Гемоглобин взрослого Гены, определяющие синтез глобина, дерепрессируются постепенно и в такой последовательности, как они располагаются в кластере.

Синтез гемоглобина Эмбриональный - в желточном мешке Плодный - в печени и селезенке Гемоглобин взрослого - в костном мозге

Синтез гемоглобина в различных органах Печень Костный мозг Эритроциты Плод (желточный мешок)

Этапы генной инженерии Получение генетического материала (выделение природных генов, ферментативный или химический синтез гена) Включение генов в векторную молекулу и создание рекомбинантной молекулы ДНК Введение рекомбинантных молекул ДНК в клетку – реципиент и включение их в хромосомный аппарат клетки Отбор трансформированных клеток и клонирование клеток с рекомбинантной ДНК

Этапы генной инженерии

Генная инженерия

Возможности генной инженерии создание новых геномов синтез лекарственных препаратов генотерапия наследственных болезней

Международный проект «Геном человека» цели проекта: полное определение последовательности нуклеотидов молекулы ДНК у человека. возможность профилактики возникновения наследственных болезней и их лечения.

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА

Геном человека

Число генов у человека

Генетический паспорт

Основоположник классической генетики- Г.Мендель

ГРЕГОР МЕНДЕЛЬ - воздадим должное его гениальности Основоположник классической генетики Разработал гибридологический метод Открыл универсальные законы наследования Создал условия для развития молекулярной генетики

ГЕНЕТИКА И БУДУЩЕЕ?