Структурная организация генетического материала в хромосомах. Экстрахромосомные и транспозируемые генетические элементы.

ДНК ХромосомнаяЭкстрахромосомная Хромосомы (эукариоты) Нуклеоид (прокариоты) ДНК клеточных органоидов (эукариоты) Плазмиды (прокариоты)

Хромосомы (эукариоты) Хромосомы образованы хроматином. Хроматин Хроматин ДНК Белки Гистоновые Негистоновые Н2А Н2В Н1 Н3 Н4 СтруктурныеФункциональные

Уровни компактизации ДНК (эукариоты) 1. Нуклеосомный (диаметр нуклеосомной нити 11 нм) 2. Нуклеомерный (диаметр нуклеомерной фибриллы 30 нм) 3. Петельный (диаметр нм) 4. Метафазная хромосома (диаметр нм)

Нуклеосома Нуклеосомный кор (Н2А, Н2В, Н3, Н4)×2 ДНК (146 п.н.)

Нуклеосомная нить

Нуклеомерная фибрилла

Метафазная хромосома центромера плечи

Уровни компактизации ДНК ДНК Нуклеосомная нить Нуклеомерная фибрилла Петли (домены) Метафазная хромосома

Хроматин эухроматингетерохроматин Деспирализованные участки хромосом, содержащие активно экспрессирующиеся гены Конденсированный, транскрипционно неактивный хроматин конститутивный факультативный Присутствует в течение всего клеточного цикла Способен переходить в эухроматин

Особенности ядерного генома человека 1. Размер генома 3×10 9 п.н генов 3. Молекулы ДНК линейные 4. Молекулы ДНК полирепликонные (количество ori-сайтов зависит от длины молекулы) 5. Опероны отсутствуют 6. Мозаичная (интронно-экзонная) структура генов 7. Большее (по сравнению с прокариотами) количество регуляторных элементов 8. Наличие мультигенных семейств и псевдогенов 9. Наличие уникальных и повторяющихся последовательностей.

Повторяющиеся последовательности ДНК 1. Классификация по количеству копий: Низкокопийные повторы (несколько десятков копий) Низкокопийные повторы (несколько десятков копий) Среднекопийные (умеренные) повторы (до тысячи копий) Среднекопийные (умеренные) повторы (до тысячи копий) Высококопийные повторы (более тысячи копий) Высококопийные повторы (более тысячи копий) 2. Классификация по расположению в геноме: Диспергированные повторы (SINE, LINE) Диспергированные повторы (SINE, LINE) Тандемно расположенные повторы (микросателлитная, минисателлитная ДНК) Тандемно расположенные повторы (микросателлитная, минисателлитная ДНК) 3. Классификация по направлению повторов: Прямые повторы Прямые повторы Инвертированные повторы Инвертированные повторы

Митохондриальная ДНК человека 1. Кольцевая суперспирализованная двухцепочечная молекула ДНК. 2. Длина молекулы ДНК – п.н генов: 2 гена рРНК, 13 генов, кодирующих белки, 22 гена тРНК. 4. Есть перекрывающиеся гены 5. 1 ori-сайт (монорепликонная молекула ДНК) 6. Комплементарные цепи различаются по удельной плотности. Одна цепь – тяжелая (содержит много пуринов), другая – легкая (содержит много пиримидинов) промотора (по одному на каждой цепи) 8. Синтезируются полицистронные РНК

Митохондриальная ДНК человека 9. Процессинг РНК: Разрезание полицистронной РНК Разрезание полицистронной РНК Полиаденилирование 3-концов мРНК Полиаденилирование 3-концов мРНК Редактирование РНК (модификация или замена нуклеотидов) Редактирование РНК (модификация или замена нуклеотидов) КЭПирования нет. Сплайсинга нет (в митохондриальных генах человека интроны отсутствуют). 10. ДНК не метилируется. 11. Митохондриальная ДНК наследуется по материнскому типу 12. Есть отклонения от универсального генетического кода: Кодон АУА кодирует метионин (вместо изолейцина) Кодон АУА кодирует метионин (вместо изолейцина) Кодон УГА кодирует триптофан (вместо стоп-кодона) Кодон УГА кодирует триптофан (вместо стоп-кодона) Кодоны АГА и АГГ являются стоп-кодонами Кодоны АГА и АГГ являются стоп-кодонами (в универсальном коде кодируют аргинин ) (в универсальном коде кодируют аргинин )

Митохондриальная ДНК Ori 12S рРНК 16S рРНК Цитохром b Субъединицы NADH- дегидрогеназы Субъединица цитохромоксидазы Субъединицы цитохромоксидазы АТФ-синтетаза Субъединицы NADH- дегидрогеназы тРНК

Нуклеоид (прокариоты) Нуклеоид (прокариоты) 1. Это двухцепочечная кольцевая суперспирализованная молекула ДНК 2. Размер генома 3 - 5×10 6 п.н. 3. ДНК находится в комплексе с функциональными и, возможно, структурными (гистоноподобными) белками. 4. Молекула ДНК монорепликонная (1 ori-сайт). 5. В области ori-сайта нуклеоид прикреплен к цитоплазматической мембране. 6. Кодирующие последовательности ДНК составляют 70% генома, 30% - межгенные промежутки и регуляторные области. 7. Около генов 8. Характерна оперонная структура. 9. Интроны отсутствуют.

Нуклеоид (E.coli)

Плазмиды Плазмиды – это небольшие кольцевые (иногда линейные) экстрахромосомные молекулы ДНК, способные к автономной репликации. Размеры плазмид варьируют от до п.н. Плазмиды, способные существовать в двух состояниях – автономном и интегрированном в нуклеоид, называют эписомами.

Классификация плазмид 1. Классификация, базирующаяся на структуре ДНК: Кольцевые Кольцевые Линейные Линейные 2. Классификация, базирующаяся на маркерных генах плазмид: R-плазмиды (факторы резистентности к антибиотикам) R-плазмиды (факторы резистентности к антибиотикам) Col-плазмиды (факторы колициногенности) Col-плазмиды (факторы колициногенности) Tox-плазмиды (обеспечивают синтез энтеротоксинов) Tox-плазмиды (обеспечивают синтез энтеротоксинов) Криптические плазмиды (не содержат маркерных генов) Криптические плазмиды (не содержат маркерных генов) 3. Классификация, базирующаяся на способности плазмид к горизонтальному переносу: Трансмиссивные (конъюгативные) Трансмиссивные (конъюгативные) Нетрансмиссивные (неконъюгативные) Нетрансмиссивные (неконъюгативные) 4. Классификация, базирующаяся на совместимости плазмид 5. Классификация, базирующаяся на копийности плазмид

Плазмиды под электронным микроскопом

Мобильные генетические элементы (МГЭ) МГЭ – фрагменты ДНК, способные перемещаться в пределах одной хромосомы или между хромосомами. МГЭ прокариот МГЭ прокариот IS-элементы Транспозоны Простые Сложные Простые Сложные

IS-элементы 1. Размеры от 700 до 1500 п.н. 2. На концах находятся инвертированные повторы (IR), длиной п.н. 3. Содержат только гены, необходимые для транспозиции по геному (ген транспозазы). 4. IS-элемент реплицируется, затем его копия встраивается в новый сайт.

Сложные транспозоны 1. Размеры от 2000 до п.н. 2. На концах находятся IS-элементы. 3. Между IS-элементами находятся дополнительные структурные гены (гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам, гены, кодирующие токсины и др.)

Простые транспозоны 1. Размеры до 5000 п.н. 2. На концах находятся инвертированные повторы (IR) 3. Между инвертированными повторами располагаются гены, обеспечивающие транспозицию, и дополнительные структурные гены.

Мобильные генетические элементы прокариот

Мобильные генетические элементы эукариот 1. ДНК-транспозоны ( контролирующие элементы кукурузы, Р-элементы дрозофилы и др.) содержат концевые инвертированные повторы. Перемещаются по принципу «вырезание - встраивание». 2. Полинтоны - последовательности ДНК длиной тыс. п.н., кодирующие более 10 белков, в т.ч. ДНК- полимеразу В, использующую в качестве праймера белок. Содержат концевые инвертированные повторы (несколько сот пар нуклеотидов). Перемещаются по принципу «копирование - встраивание».

Мобильные генетические элементы эукариот 3. Хелитроны – последовательности ДНК. Не содержат концевых инвертированных повторов. Перемещаются по принципу «копирование -встраивание». Репликация осуществляется по механизму «катящегося кольца». 4. Ретротранспозоны сходны с ретровирусами, но не способны инфицировать клетки. Перемещение основано на обратной транскрипции. Подразделяются на 2 группы: Ретротранспозоны с LTR (длинными концевыми повторами) Ретротранспозоны с LTR (длинными концевыми повторами) Ретротранспозоны без LTR (L1, Alu последовательности у человека). Ретротранспозоны без LTR (L1, Alu последовательности у человека).

Значение мобильных генетических элементов 1. Являются биологическими мутагенами. 2. Изменяют активность близлежащих генов, т.к. могут содержать энхансерные и инсуляторные последовательности. 3. Могут вызывать хромосомные перестройки в результате неравного кроссинговера между одинаковыми МГЭ. 4. У дрозофил ретротранспозоны участвуют в формировании теломер.

Геном вирусов Вирусы Вирусы ДНК-содержащиеРНК-содержащие 1-цепочечная линейная ДНК (парвовирусы) 1-цепочечная кольцевая ДНК (бактериофаг М13) 2-цепочечная линейная ДНК (аденовирусы, герпесвирусы) 2-цепочечная кольцевая ДНК (папилломавирус) 2-цепочечная кольцевая ДНК с одноцепочечными участками (вирус гепатита В) 2-цепочечная линейная РНК (реовирусы) 1-цепочечная линейная РНК «-» цепь РНК (вирусы гриппа, кори, паротита) «+» цепь РНК (вирусы бешенства, полиомиелита, клещевого энцефалита, ретровирусы, в том числе ВИЧ)

Геном вирусов Размеры от до нуклеотидов или пар нуклеотидов; Размеры от до нуклеотидов или пар нуклеотидов; Возможно перекрывание генов, в том числе явление «ген в гене»; Возможно перекрывание генов, в том числе явление «ген в гене»; Интрон-экзонная структура генов (у вирусов эукариот). Интрон-экзонная структура генов (у вирусов эукариот).