Основные законы наследования

Интроны всегда (установлено для генов, кодирующих белки) имеют на 5'-конце пару последовательностей СТ, а на 3'-конце -- AG.

Последовательности нуклеотидов в экзонах консервативны, а в интронах сильно варьируют. Иногда экзон одного гена может быть гомологичным экзону даже другого гена. Например, два в-глобиновых гена мыши имеют по три гомологичных экзона в каждом гене. Между интронами этих генов гомология не найдена, повидимому, из-за того, что интроны эволюционируют значительно быстрее, чем экзоны. При сравнении последовательностей нуклеотидов в одних и тех же генах у разных видов находят большую гомологию в экзонах.

Разные экзоны в пределах гена не только различаются по составу кодируемых ими аминокислот, но и имеют определенные структурные особенности. Например, в геноме человека обнаружено 30-45 тыс. так называемых CpG-островков. Это тяжи неметилированной ДНК с высоким содержанием динуклеотидов CpG. Чаще всего они располагаются в районах стартовых точек транскрипции. Вероятность найти CpG-островки в первых экзонах генов человека в 13 раз выше, чем в интронах, и в два раза выше, чем в других экзонах.

Размеры геномов в зависимости от таксономической принадлежности организмов Длинные молекулы геномной ДНК должны обладать способностью упаковываться в очень небольшом объёме. Ядра клеток эукариот и клетки бактерий имеют размеры ~ 10-6 м, в то же время в каждой клетке человека общая длина ДНК составляет ~ 2 м.

Геномы эукариот организованы существенно более сложно, чем геномы прокариот. Одна из характерных особенностей геномов эукариот - наличие кластеров изофункциональных генов. Изофункциональными называются гены, продукты экспрессии которых характеризуются структурно-функциональным сходством. В качестве примера подобных кластеров можно привести гены рРНК и гистонов. Эти гены тандемно повторяются в геномах и представлены большим числом идентичных копий. Типичный пример кластера генов - кластер бета-глобиновых генов человека, содержащий 5 генов и 1 псевдоген.

Каждый из генов экспрессируется на определенной стадии индивидуального развития организма. В состав кластеров изофункциональных генов могут входить псевдогены - последовательности геномной ДНК, структурно сходные с генами, однако лишённые функциональной активности. Вероятнее всего, они являются остатками когда-то функциональных генов. Например, псевдоген кластера бета-глобиновых генов человека гомологичен гену из этого же кластера, однако мутации в кодирующей части последовательности псевдогена привели к появлению стоп-кодонов во втором и третьем экзонах. Таким образом, этот мутантный ген потерял способность к полноценной экспрессии.

Наиболее вероятно возникновение в ходе эволюции генов одного кластера от общего предкового гена.

Гены эукариот отделены друг от друга районами нетранскрибируемой ДНК (межгенными спейсерами). У прокариот гены также отделены друг от друга спейсерами, однако длина спейсеров эукариот существенно больше. Низкая плотность кодирующих районов - общее свойство геномов эукариот, например, для человека она составляет около 2% (Bork et al., 1998).

Основной причиной того, что геномы эукариот имеют низкую кодирующую плотность, является наличие огромной фракции некодирующей ДНК, представленной повторяющимися последовательностями, межгенными спейсерами и интронами. В этом состоит существенное отличие геномов эукариот и прокариот.

В межгенных спейсерах, а также интронах могут располагаться различные типы повторяющихся последовательностей. Например, общая длина ДНК кластера бета-глобиновых генов человека составляет 73308 пар оснований (п.о.) (EMBL AC U01317). Из них 2.8% приходится на экзоны, 6.1% - на интроны, 8.6% - на различные типы повторяющихся последовательностей. Следует отметить, что насыщенность геномов прокариот повторяющимися последовательностями довольно низка (Kolchanov and Lim, 1994), в то время как для геномов эукариот высокая насыщенность повторами - одно из их характерных свойств.

Повторяющиеся последовательности могут иметь различную длину: от нескольких десятков п.о., до нескольких сот п.о. для диспергированных повторов и тысяч п.о. - для мобильных элементов.

Все повторы в геноме можно разделить на два класса:

1. Тандемные повторы, к которым относятся разные виды сателлитной ДНК, гены рРНК.

2. Диспергированные повторы, распределённые в геноме по принципу чередования с уникальными последовательностями. К этому классу относятся, в частности, различные типы перемещающихся (мобильных) элементов.

В настоящее время не существует детальной классификации повторяющейся ДНК. В обзоре (Heslop-Harrison, 2000) предложена следующая классификация:

1. Тандемные повторы, в которых одна копия следует за другой, так что массив повторяющейся ДНК может насчитывать сотни или тысячи отдельных копий. К этой категории относятся микросателлиты, размер мономера до 5 п.о., а также сателлитная ДНК с большей длиной мономера.

2. Ретроэлементы (мобильные элементы), распространение которых происходит посредством транскрипции. Полученная РНК далее служит матрицей для обратной транскрипции в ДНК, которая затем может встраиваться в определенные места геномной ДНК. К данной категории относятся различные классы диспергированных повторов.

3. Специальный класс повторов - теломерные повторы и рибосомная ДНК. Эти последовательности обладают определённой функцией в геноме: рДНК содержит гены, а теломерная ДНК образует структуры, стабилизируюшие концы хромосом. Теломерная ДНК по структуре сходна с тандемными повторами, размер мономера составляет 6-8 п.о.

В среднем на 1000 п.о. кодирующей ДНК у позвоночных приходится 5.6 интронов (Logsdon, 1998). Число экзонов в одном гене может быть даже больше сотни: например, ген титина (EMBL AC AJ277892) имеет не менее 157 экзонов, так что их общая длина превышает 28347 п.о.

Строение генов эукариот, в отличие от прокариот, характеризуется наличием экзон-интронной структуры. В состав первичного транскрипта - пре-мРНК входят как экзоны, так и интроны (некодирующие районы). В процессе сплайсинга интроны вырезаются из пре-мРНК. Оставшиеся же части - экзоны - объединяются в зрелую матричную РНК (мРНК), которая может транслироваться в белок.

Сайты, по которым происходит вырезание интронов, называют сайтами сплайсинга. Сплайсинг одного гена может происходить несколькими способами. Это означает, что в состав зрелых мРНК могут входить разные комбинации экзонов. Для большинства зрелых мРНК размер составляет от нескольких сот п.о. до 10000 п.о. Максимальная длина зрелой мРНК достигает 80880 п.о. (AC X90568, белок титин, экспрессирующийся в мышечной ткани сердца). В состав первичного транскрипта (пре-мРНК) входят 5' и 3' нетранслируемые районы - 5'UTR и 3'UTR, соответственно.

Район, узнаваемый РНК-полимеразой как финиш транскрипции называется районом терминации транскрипции. В 3' нетранслируемом районе гена - 3'UTR может находиться также контекстный сигнал полиаденилирования.

Сравнение распределений длин экзонов и интронов для разных видов эукариот позволяет заключить, что в направлении от низших эукариот (грибов и беспозвоночных) к высшим (позвоночным) наблюдаются следующие закономерности:

* Средний размер экзона уменьшается;

* Средний размер интрона увеличивается;

* Увеличивается общее число экзонов и интронов;

Хромосомная теория наследственности

Формирование хромосомной теории.В 1902--1903 гг. американский цитолог У. Сеттон и немецкий цитолог и эмбриолог Т. Бо-вери независимо друг от друга выявили параллелизм в поведении генов и хромосом в ходе формирования гамет и оплодотворения. Эти наблюдения послужили основой для предположения, что гены расположены в хромосомах. Однако экспериментальное доказательство локализации конкретных генов в конкретных хромосомах было получено только в 1910 г. американским генетиком Т. Морганом, который в последующие годы (1911--1926) обосновал хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенной последовательности, локализованы гены. Таким образом, именно хромосомы представляют собой материальную основу наследственности.

Строение и функции хромосом

Хромосомы -- структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре.

ДНК в хромосомах упакована таким образом, что умещается в ядре, диаметр которого обычно не превышает 5 мкм (5-10-4 см). Упаковка ДНК приобретает вид петельной структуры, похожей на хромосомы типаламповых щеток амфибий или политенных хромосом насекомых. Петли поддерживаются с помощью белков, которые узнают определенные последовательности нуклеотидов и сближают их. Строение хромосомы лучше всего видно в метафазе митоза.

Хромосома представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, которые удерживаются центромерой в области первичной перетяжки. Каждая хроматида построена из хроматиновых петель. Хроматин не реплицируется. Реплицируется только ДНК.

Рис. Строение и репликация хромосомы

С началом репликации ДНК синтез РНК прекращается. Хромосомы могут находиться в двух состояниях: конденсированном (неактивном) и деконденсированном (активном).

Диплоидный набор хромосом организма называют кариотипом. Современные методы исследования позволяют определить каждую хромосому в кариотипе. Для этого учитывают распределение видимых под микроскопом светлых и темных полос (чередование AT и ГЦ-пар) в хромосомах, обработанных специальными красителями. Поперечной исчерченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпанзе, очень сходный характер чередования полос в хромосомах.

Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом -- 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины гетерогаметны (ХУ), а женщины гомогаметны(XX). У-хромосома отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей (например, аллеля свертываемости крови). Хромосомы одной пары называют гомологичными. Гомологичные хромосомы в одинаковых локусах несут аллельные гены.

наследственность мутация потомок наследование

Индивидуальность, видовая специфичность числа и формы, кариотип

Хромосомы - наиболее важные компоненты ядра. Они играют ведущую роль в явлениях наследственности. Хромосомы хорошо видны под микроскопом в момент деления клетки. Хромосомы ядра неделящейся клетки не видны, поскольку они деконденсации хромосом, тем активнее протекают метаболические процессы в самом ядре. Морфологические хромосомы растений чаще всего имеют нитевидную или палочкообразную форму. Большинство хромосом разделено первичной перетяжкой на два плеча. Под микроскопом первичная перетяжка представлена светлой (неокрашенной) зоной, получившее название центромеры, которые играют основную роль в перемещении хромосом строго определении ядра. Центромера занимает на каждой из хромосом строго определенного место. По положению центромеры хромосомы делят на метацентрические (приблизительно равноплечие), субметацентрические (неравноплечие) и акроцентрические (головчатые), у которых центромера сдвинута к одному из концов. У некоторых хромосом имеется и вторичная перетяжка. Она, как правило, располагается у дистального конца хромосомы и отделяет небольшой ее участок, носящий название спутника. Вторичная перетяжка не участвует в движении хромосом при деление ядра. Она получила название ядрышкового организатора, поскольку в месте ее локализация происходит образование ядрышка. Концевые участки хромосомы называют теломерными. Они препятствуют ее соединению с другими хромосомами.

1 2 3 4 5

Формы хромосом на стадии метафазы (схема): 1,5 - равноплечие; 2,3 - неравноплечие; 4 - головчатые

Каждому из населяющих нашу планету видов растений и животных свойственно строгое число хромосом, обозначаемое 2n (диплоидный набор). В половых клетках число хромосом в два раза меньше и равно n (гаплоидный набор). В соматических клетках организма каждая хромосома имеет пара, идентичную как морфологически, так и генетически (гомологичные хромосомы). Исключение из этого правила составляют половые хромосомы у гетерогаметных особей. Специфический для определенного вида по числу и структуре набор хромосом получил название кариотипа.

Графическое изображение кариотипа, показывающие его структурные особенности, называется идиограммой. В последние годы получил распространение метод дифференциального окрашивание хромосом. При этом на каждого из хромосом прокрашиваются специфические, характерные для нее полосы (бэнды), что значительно облегчает идентификацию отдельных хромосом кариотипа. Хромосомы, определяющие пол особи, называют половыми хромосомами, а все остальные - аутосомами. Внутренне строение хромосом чрезвычайно сложно. По химическому составу они на 40% состоят из ДНК и на 60% из белков, в среднем около 60% из которых приходится гистоны. Строение метафазной хромосомы при исследовании с помощью светового микроскопа представляет следующим образом. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, спирально закрученными и располагающихся параллельно оси хромосомы. Для прокрашивающихся в интерфазном яде участков хромосом используют термин "хромонема" - красящая нить. Утолщения на хромонемах получили название хромомер. Особенность вышеописанного строения хромосом зависит от уровня меняется при переходе от интерфазного состояния хромосом к метафазному

Первый, получивший название нуклеосомного, определяет скручивание ДНК по поверхности гистоновой сердцевины. Второй - объединение нескольких нуклеосом (до 10) в бусину - называется нуклеомерный. Третий уровень - объединение скрепками из негистоновых белков фибрилл дезоксирибонуклеопротеида в петлевой домен, называемый хромомером. Четвертый - образование хромонем. Далее, по-видимому, хромонема укладывается в виде спирали в хроматиде, хотя весьма вероятно, что это еще один уровень - "петлистых структур".

Размещено на Allbest.ru