Генетический материал клетки. Геномный уровень организации

1. Генетический материал клетки

Геномный уровень
организации

2.

Отделы ДНК
Молекула ДНК состоит из генов и спейсерных
участков (спейсерами) между ними:
спейсерные участки ДНК,
выполняющие структурную
функцию
участки ДНК, с которыми связываются гистоновые белки нуклеосомной цепи в хроматине, ДНКсвязывающиеся белки и др.,
участ- вующие в правильной
укладке нуклеосомной цепи в
высшие структуры хроматина.
участки ДНК, участвующие в прикреплении хромосом к аппарату
центриолей; фиксации хроматина
в ядерном матриксе (MAR- и SARпоследовательности, участвующие
в образовании петельной структуры хроматина) и др.
спейсерные участки ДНК,
которые служат специфи ческими локусами связывания:
спейсерные участки ДНК,
служащие сигналами
окончания транскрипции
Аттенюаторы,
терминаторы
Промоторы
Операторы
Сайленсеры
Энхансеры

3.

Геном – это количество ДНК в гаплоидном наборе хромосом; полный состав ДНК, содержа щий весь объем информации, необходимой для развития и существования организма; совокупность всех генов и межгенных участков ядерной и внеядерной ДНК клетки.
Общие принципы построения генома
и его структурно-функциональную
организацию изучает раздел генетики
– геномика.
Различают следующие разделы геномики:
структурная, функциональная, сравнительная, эволюционная и медицинская.

4.

Геном вируса представлен
молекулой ДНК (ДНК-вирусы) или
РНК (РНК-вирусы) и состоят из
одной или нескольких молекул нук
-леиновых кислот.
Вирусная частица, состоящая
из одной или нескольких нук леиновых молекул называется вирион.
Он может быть представлен
одно- и двуцепочными ДНК
или РНК, кольцевой или
линейной формы.
Геном вирусов
Вирион заключен в белковую
оболочку – капсид, которая может содержать липиды и угле воды.
Вирусный геном относительно
мал; кодирует белки капсида и
белки, участвующие в реплика ции и экспрессии вирусного
генома.
Масса ДНК вирусов составляет 1∙106 200∙106; РНК - 1∙106-15∙106 дальтона.

5.

Структура генома некоторых вирусов

6.

Геномы вирусов могут содержать от 4 генов (фаг
Qβ) до 250 (вирус оспы).
Геномы могут быть цельными (состоять из одной
молекулы нуклеиновой кислоты), либо
сегментированными и состоять из нескольких
молекул.
Геном фага φХ174 состоит из 9 генов и содержит
5500 нуклеотидов. В геноме фага имеются пере крывающиеся гены (гены, которые могут быть
частью двух разных генов или некоторая последо вательность ДНК может быть составной частью двух
разных генов) и «гены внутри генов». Установлено,
что ген В расположен внутри гена А, ген Е – вну три гена Д. Подобная картина перекрывания генов
было зафиксировано для фага λ и опухолевого ви руса SV40 и объясняла существование несоответ ствия между небольшим размером генома и коли чеством белков, которые синтезируется генами это го генома.

7.

Геном вируса иммунодефицита человека ВИЧ-1.
Вирусная частица (вирион) имеет сферическую форму,
ее диаметр равен 100 нм
Геном вируса составляет молекула РНК, она окружена
двойным слоем липидов, пронизанных гликопротеинами, содержащими две субъединицы: gp41, пронизывающая мембрану и gp120, находящаяся снаружи.
Сердцевина вируса образована белками p17 и p24.
В сердцевине вируса находится молекулы обратной транскриптазы, которая превращает РНК вируса в линейную
молекулу двуцепочной молекулы ДНК в процессе обратной транскрипции в клетках Т-лимфоцитов тела хозя ина.
Образовавшаяся молекула ДНК вируса ВИЧ-1 проникает в ядро Т-лимфоцита, на концах линейной молекулы ДНК находятся особые последовательности И3, R и
U5. Эти последовательности взаимодействуют друг с
другом, образуя кольцевую ДНК с одним или двумя
ДКП. Затем происходит встраивание вирусной ДНК в
любое место клеточной ДНК хозяина, при участии бел ка вируса интегразы. Геном вируса ВИЧ-1 содержит 9
генов, которые синтезируют 14 белковых продуктов. Ген
gag кодирует внутренние белки вириона, ген pol - обрабатывают транскриптазу и интегразу, ген env – компоненты вирусной оболочки. Остальные гены кодируют
вспомогательные и регуляторные белки.

8.

Геном прокариот построен компактно и не
отделен от цитоплазмы мембраной
Геном прокариот
Геном прокариот построен компактно и
не отделен от цитоплазмы мембраной
Размер генома у прокариот различается:
он может варьировать от 580 тыс. н.п. до
9500 тыс. н.п.
Геном бактерий почти целиком состоит из
генов и последовательностей,
регулирующих их активность.
Геном бактерий обладает некоторыми особенностями, обеспечивающими адапта цию к определенным условиям их обита ния. Это суперспирализация ДНК, обога щенность генома ГЦ–парами, а также
наличие генов, кодирующих белки, обеспечивающие приспособление микро организмов к особым условиям обитания
Молекула ДНК может быть кольцевой
или линейной, а у некоторые бактерий
имеются обе формы ДНК
Гены прокариот не имеют интронов.
Функционально связанные гены
организованы в опероны
Helicobacter pylori обитают в кислой среде
желудка и их белки содержат вдвое больше
аминокислотных остатков аргинина и лизи на, чем у других бактерий. Кроме того, имеется не менее пяти систем адгезии для прикре пления этих бактерий к эпителию желудка, 14
генов системы расщепления чужеродной ДНК.

9.

Размеры геномов прокариот
Размер генома
(мегабазы)
Количество
генов
2.17
2493
Methanococcus jannaschii
1.66
1813
Thermoplasma acidophilum
1.56
1509
4.64
4397
Bacillus sudtilis
4.21
4212
Haemophilus influenzae
Aquifex aeolicus
1.83
1.55
1791
1552
Pikettsia prowazekii
1.11
834
Mycoplasma pheumoniae
0.82
710
Mycoplasma genitalium
0.58
503
Организмы
АРХЕИ
Archaeoglodus fuigidis
ЭУБАКТЕРИИ
Echerichia coli

10.

Геном бактерий
Геном бактерий практически не имеет
перекрывающихся генов
У бактерии около 1% генома является неко дирующей и она представлена мобильными генетическими элементами, которые
могут перемещаться по геному (см. геном
эукариот). Мобильные (подвижные) гене –
тические элементы бактерий – это IS-эле менты и транспозоны.
Для бактерий характерно явление горизонтального
переноса генов (перенос генов из генома одной
бактерии в геном другой). Он происходит как между
родственными, так и не родственными бактериями.
Гены, которые появляется в результате такого переноса называется ксенологами. Отмечен горизонтальный
перенос генов от бактерий к эукариотом (около 30
генов).
IS-элементы (инсерционные элементы или
вставки) - это участки ДНК, способные перемещается по геному как целое. Они содержат
гены, обеспечивающие их перемещение –
транспозицию
При встраивании IS-элемента происходит:
1 - дупликация участков ДНК, находящихся на их концах;
2 - инверсия в смежных с IS-элементами участках;
3 - взаимодействие между F-плазми дой и бактериальной хромосомой.
Перемещается не сам IS-элемент, а его
копия, которая встраивается в новый локус

11.

Геном бактерий
Транспозоны (Тn-элементы) – это такие же, как ISэлемен- ты, участки ДНК, но содержат гены, не
имеющие отноше ния к транспозиции. Например,
гены устойчивости к антибиотикам, гены токсинов
и др.
Структура транспозона: а- простой
транспозон Тn3 с тремя генами;
б - сложный транспозон Тn10 с
двумя IS-элементами на левом и
правом плече.
Транспозоны :
придают бактериям устойчивость к различным антибиотикам, ядам,
тяжелым металлам;
приводят к инактивации гена, в который они встраиваются;
повышают частоту мутаций,
активизируют ранее молчащий ген,
переносят гены метаболизма, которые позволяют использовать
необычные источники углерода,
переносят гены токсинов, делающие бактерии патогенными.
Все это в совокупность обеспечивают высокую степень генетический
изменчивости бактерий.

12.

Геном бактерий
Эти внехромосомные элементы являются
кольцевыми двуцепочными ДНК, несущими гены, которые будут необходимы в оп ределенный момент жизни клетки.
Одни придают клеткам устойчивость
к различным фактором среды, в частности, к действию антибиотиков. Та кие плазмиды называются факторы
рези- стентности (R-факторы или Rплазмиды).
Другие определяют половой процесс, пол
бакте рий (F+- и F--факторы) и называются
факторы фертильности (F-плазмиды или Fфакторы). F-плазмиды сообщают бактериям
инфекционность, так как являются самотрансмиссивными, то есть, способными переме щаться из клетки в клетку, встраиваться там в
хромосому бактерии-хозяина и становиться
частью генома этой бактерии.
Плазмиды – это структуры бактериальной клетки,
способные реплицироваться самостоятельно от
хромосом ДНК.
Плазмиды, которые могут существовать и репли цироваться как автономно, так и в составе хромо сомной ДНК называется эписомы. Встраиваясь в
неё, становятся её частью и реплицируются
вместе.
Эписомы, перемещаясь из одной клетки в
другую, могут придавать клеткам бактерий
хозяев:
инфекционность или устойчивость к
антибиотикам;
определяют болезнетворность
бактерий;
обеспечивают почвенным бактериям
способность усваивать углерод из
необычных источников (нефтепродукты);
способность синтезировать бактерио цин, гемолецин и др.

13.

Геном эукариот
Структура типичной R-плазмиды
На рисунке изображена типичная плазмида. 50%
генов отвечают за конъюгацию и репликацию.
Вторая половина генов, контролирует устойчи вость к тетрациклину, антибиотикам (гены tetr,
camr, ranr и др.). Перемещение плазмид обеспе –
чивают и Тn-элементы , которые способны
перемещаться не только между плазмидами, но
и по всему геному

14.

Геном эукариот – это суммарная ДНК гаплоид- ного набора хромосом и внехромосомных
элементов в клетках организма.
Количество ДНК в геноме
клетки обозначается латинской
буквой С, измеряется в пико граммах (пг) и выражается в парах нуклеотидов (п.н.), дальтонах (Да) или в мегабазах (мб).
1 пг = расстоянию 0,965∙109 нп
= 6,1∙1011Да. 1 мб = 1млн.
оснований.
Геном эукариот представлен:
1 - линейными молекулами
ДНК, которые распределены по
хромосомам и расположенны в
ядре (ядерная ДНК);
2 - кольцевыми молекулами
ДНК митохондрий и пластид
(внехромосом ная ДНК).
Геном эукариот

15.

Геном эукариот характеризуется
сложностью, плотностью генов, наличием
интронов.
Геном эукариот
Сложность ДНК характеризуется общей
длиной (в н.п.) разных последовательностей ДНК, определяющих ее избыточ ность.
Размер генома человека составляет
3,2∙109 н.п. По результатам выполнения
проекта «Геном человека» (2001г.) 1-2%
генома составляют кодирующие экзоны,
24% - интроны и 75% - межгенные
промежутки.
Только 1-2% генома несет информа цию о структуре белков.
Следовательно, большая часть генома
составляет избыточную, не кодирующую
последовательность ДНК.
Этот феномен получил название
«парадокс С».

16.

Уникальные последовательности представлены в
ДНК в одном экземпляре; у человека они состав ляют 75% генома. К уникальным последовательностям относятся многие структурные гены. Общее
число генов у эукариот по данным раз ных авторов
различно. Уникальными последовательностями являются экзоны и интроны генов и некоторые межгенные последовательности.
Обращенные повторы или палиндромы –
это участки ДНК, которые читаются одинаково слева направо и наоборот.
Палиндромы принимают участие в
образовании шпилек при транскрипции
ДНК; могут является местами связывания
со специфическими белками,
участвующими в регуляции репликации и
транскрипции.
Если последовательности ДНК присутствуют в
геноме в виде нескольких копий, то их
называют повторяющимися или повторами.
По расположению в геноме повторы
бывают: тандемные, диспергированные
(то есть, разбросанные по геному), и
обращенные (рис.64).
Основные классы повторов в геноме человека:
А - диспергированные, Б - тандемные, В – обра щенные (стрелками обозначены повторы, пря мыми линиями – основная часть ДНК)

17.

Простые тандемные повторы (сателлиты)
При центрифугировании ДНК в растворе хло ристого цезия происходит разделение ДНК по
плотности на основную и сателиттную
Основная масса ДНК имеет плотность равную 42%
содержания ГЦ-пар нуклеотидов или 1,693.
Часть ДНК, имеющая иную плотность (а, следовательно,
иное содержание нуклеотидных пар) получила название
дополнительной, минорной или сателлитной ДНК
(сатДНК) (от лат.satellitis-спутник).
Сателлитные ДНК состоят из коротких (чаще 1-20
нуклеотидов) последовательностей (базовые последовательности), идентичных или почти идентичных.
Базовые последовательности расположены тан –
демно (то есть, следуют друг за другом «голова к
хвосту»), образуя длинные блоки, протяженностью до
десятков тысяч нуклеотидов. Например, у плодовой
мушки дрозофилы имеются простые базовые последовательности - ААТАГ-, -ААТАТ-, - ААТАЦ-, которые
повторяется «п» количество раз, где п = 10, 20 и более
тысяч раз.
Сателлитными ДНК называются минорный комп лекс ДНК, отделяющийся от основной ДНК при
центрифугировании в растворе хлористого цезия

18.

Сателлиты характеризуется следующими
свойствами:
1. быстрая и точная реассоциация (вос становление структуры ДНК после денатурации ДНК) в процессе ренатурации ДНК;
2. тандемное расположение базовых
последовательностей, объединенных в блоки
3. количество копии в геноме свыше 10
«степеней»;
4. простая первичная структура;
5. гомогенность (идентичность) базовых
последовательностей;
6. локализация в прицентромерном
гетерохроматине и теломерах ;
7. ограниченная репликация;
Типичная саттелитная ДНК

19.

Мини-сателлиты – это повторы со средней
длиной повторяющегося элемента (базовой
последовательности) от 6 до 100 н.п., обога щенным АТ- и ГЦ-парами, длиной кластера
0,2-20 тыс.н.п. Число их копий варьирует от
несколький сотен до тысяч на геном. Минисателлитами являются также повторы, тан демно расположенные в теломерной об ласти. Основной элемент этих повторов у
человека – высококонсервативные после –
довательности ГГТАТТ. Эти последователь ности и играют роль в сохранении целост –
ности хромосом.
Мегасателлиты – повторы с повторяющейся
базовой последовательностью в 2,5-5 тыс.
н.п. и числом копий от 50 до 400 присутст вуют лишь в 4,8,19 и Х хромосомах.
Нетипичные сателлиты ДНК
Микросателлиты относятся к повторам с длиной
повторяющегося элемента 1-4 нуклеотида, тандемно
и равномерно, расположенные по всему геному.
Наиболее известный микросателлит человека динуклеотид (АЦ)п, где n (число повторов) равен
5-50. Кластер этого микросателлита расположен
через каждые 30 тыс.н.п. Кроме динуклеотида АЦ
известны микросателлиты с повторяющимися три- и
тетрануклеотидными мотивами АТ, ГЦ, ААЦ, ЦТГ,
ГАЦА. Если микросателлит состоит только из одного
повторяющего нуклеотида (АААААА…..А - на одной
нити ДНК и ТТТТТТ…..Т - на другой), то он называ –
ется гомополимерной нуклеотидной последова тельностью. Блоки микросателлитов равны 20-60
тыс.н.п.
Микро- и минисателлиты очень изменчивы, то есть полиморфны. Изменяются как число нуклеотидов в базовой последовательности, так количество копий. Их распределение
и число в геноме каждого конкретного человека настолько
индивидуально, что лежит в основе метода судебно –меди цинской экспертизы, служащего для идентификации лич ности и называемого ДНК-фингерпринтингом или мето дом «отпечатков пальцев».

20.

Диспергированные повторы – это повто ры, которые рассеяны (диспергированы)
по всему геному. Они встречаются во
всех областях хромосом; обнаруживают ся внутри генов в интронах, по краям
генов, в межгенных участках, вне генной
ДНК и составляют половину генома
человека.
Эти типы повторов объединены в группу
мобильных (подвижных) элементов
геномов,
Они способны определять структуру ге нома и перемещаться в нем как внутри
одной хромосомы, так и между хромосомами. Процесс перемещения назы вается транспозиция
Диспергированные повторы
Различают следующие типы таких повторов:
1. длинные диспергированные повторы
или Line-повторы. Их длина составляет 6,4 тыс н.п.,
число копий 8,5 х 105 раз (21% всего генома).
2. короткие диспергированные повторы
или Sine –повторы, с длиной менее 500 н.п. и числом
копий 1,5 х 106 (13% генома);
3. повторы протяженность 5-8 тыс. н.п.,
ограниченные с флангов дополнительными повторами,
которые называются LТR (long terminal repeats) или
ДКП (длинные концевые повторы).
4. ДНК- транспозоны – повторы длиной от
80-3000 нп. числом копий 3х 105 (3% генома).
Перемещение осуществляется двумя путями:
1 - путем вырезания элемента из одного места и
встраивания его в другое при участии фермента
транспозазы и вспомогательных белков;
2 - путем образования копии элемента, которая
внедряется в новое место, а родительская копия остается
на месте. Подвижные генетические элементы образующиеся первым путем называется транспозоны, а вто рым путем – ретротранспозоны.

21.

Подвижные генетические элементы,
встраиваясь в гены или в соседние с
ними области:
1 - изменяют активность этих
генов;
2 - вызывают мутации;
3 - могут принимать участие в
перестройке хромосом, приводящей
в результате к рекомбинации, инвер
сии, транслокации, делеции и т.д.;
4 - могут обусловливать поли морфизмы внутри вида;
5 - обеспечивают горизонтальны
перенос генов;
6 - способствуют сохранению
структурной целостности хромосом.
Подвижные генетические элементы

22.

Транспозоны - это подвижные генетические
элементы, ограниченные по флангам инвер тированными (направленными друг к другу)
повторами и перемещающиеся по геному при
участи фермента транслоказы, который кодиуется самим транспозоном. Более 50 генов
человека произошли из транспо зонов(иммуноглобуллины). Транспозоны входят во все
типы диспергированных повторов.
Структура транспозона: а- простой транспозон Тn3 с
тремя генами;
б - сложный транспозон Тn10 с двумя IS-элементами
на левом и правом плече.
ДНК-транспозоны способны кодировать
фермент транспозазу, который обеспечи вает их передвижение по геному.
Наиболее изученные ДНК-транспозоны
– это Р-элемент, Ас-элемент, Ту-элемент.
Транспозоны могут выполнять:
1 - роль регуляторов генов, являясь
энхансерами или сайленсерами;
2 - функцию терминаторов транскрипции;
3 - участвуют в процессе репликации
ДНК, упаковке хромосом, фиксации хро мосом к ядерному матриксу.

23.

Ретротранспозоны – это подвижные генетические
элементы, которые перемещаются по геному,
используя механизм обратной транскрипции.
Ретротранспозоны
Структура ретротранспозона

24.

Ретротранспозоны
LINЕ-повторы также относятся к ретротранспозонам, не имеющим LТR-последователь ности. У человека имеется только одно
семейство этих повторов – L1-повторы. Они
кодируют два белка-фермента, которые и
обеспечивают их перемещение в геноме по
механизму обратной транскрипции,
характерному для ретротранспозонов. В
процессе обратной транскрипции L1-копий
могут возникать псевдогены
(нефункциональные гены с прямым повторами
по краям длиной 10-20 н.п., гомологичные
известным структурным геном) и
безинтронные нормально функциониорующие
гены.
LTR – последовательности (300-400 н.п.)
принимают участие в процессе «тасова ния экзонов», то есть, способны перемещать экзоны из одних генов в другие,
обеспечивая образование новых генов.
SINE-повторы или короткие повторы имеют по
краям короткие прямые повторы и поли-(А)-последовательность на 3′-конце. Самый известный из изу ченных SINE-повторов у человека – это семейство
Аlu- повторов.
Повторы этого семейства имеют длину 200-300
н.п., находятся как внутри гена, так между ними.
Количество копий равно 1 млн и составляют 5% от
всей ДНК.
Они обнаруживается в геноме повсеместно: в
интронах, в сателлитной ДНК, между генами.
Копируя самих себя Аlu-повторы перемещаются по
геному, внедряясь в экзон или интрон и:
меняют регуляцию экспрессии этого гена.,
способны модулировать репликацию ДНК,
сплайсинг и некоторые другие процессы.
участвуют в клеточном ответе на стрессовые
воздействия, подавляя трансляцию РНК.

25.

ДНК-повторы генома
человека

26.

Умеренно повторяющиеся последовательности эти последовательности, встречаются в геноме в
десятках или сотнях копий и составляют 15% генома
человека.
1 - семейства генов, расположенных тан демно : гены гистонов, тРНК и рРНК. Они
обеспечивают осуществление жизненно
важных общеклеточных функций и
называются гены «домашнего хозяйства»;
2 - гены, кодирующие гомологичные белки со
сходными функциями, которые могут быть рас сеяны по геному или образовывать кластеры.
Это гены актина, тубулина, глобина, иммуноглобулина, гены теплового шока и др. Они выполняют в клетке как общеклеточные, так и специ ализированные функции.
3 - различные подвижные (мобильные) генетические
элементы. Они составляют от 10-20% генома и разбросаны (диспергированы) по всему геному;
По частоте встречаемости в геноме все пов торы делятся на высокоповторяющиеся или
высокочастотные и умеренноповторяю щиеся или среднечастотные
К высокоповторяющимся последовательности относится сателлит ная ДНК; частота встречаемости
таких повторов равна 105 копий и
выше. И они функционально и структурно обособлены от всего генома.
4 - тандемные повторы или диспергиро ванные последовательности с неизвест ными функциями. Один из примеров таких
последовательностей - ДНК-последовательность VNTR. Эти последовательности со держат повторяющейся элемент из 14-100
нуклеотидов, который может содержат от 2
до 100 повторов. Они могут находится внутри гена или между ними.

27.

28.

Генома человека был исследован международной программой «Геном человека» (Human Genome Project), которая начала работу в 1990 году; первый отчет по прое кту «Геном человека» был сделан в 2000 году, окончательный - в 2003году.
25% ДНК – это повторяющиеся
последовательности которые
встречаются в геноме в различной
частоте копий
Гены, кодирующие белки у человека –
это последовательности нуклеотидов
ДНК, составляющие менее 2% генома
20%-последовательности
кодирующие РНК, 13%-интроны и
межгенные участки.
Более 50% составляют не кодирующие последовательности.
Геном человека
Общее количество ДНК в 46 хромосомах в соматической клетке челове –
ка имеет
длину 2м и 6,4∙109 пар оснований; в
гаплоидной – 3,2∙109 пар оснований
Основное количество ДНК локализовано
в хромосомах (99,5%), то есть, составляет
ядерную ДНК. Внехромосомная часть
генома человека – это ДНК митохондрий
(0,5%) и отдельных кольцевых ДНК в ядре
и цитоплазме
Повторяющиеся последовательности включают:
1) 4 класса элементов ДНК, возникших из транс позонов: последовательности SINЕ, LINЕ, LТR-транспозоны (ретровирусподобные) и ДНК-транспозоны;
2) повторы, состоящие из 2-3 нуклеотидов;
3) дупликации больших сегментов ДНК из разных
частей генома.
Основная их часть возникла из обратнотранск рибируемой ДНК, и представляют собой паразитические
самопроизводящиеся элементы ДНК, имеющие свои
промоторы. Повторы могут быть местом, где создаются
гены с новыми функциями и происходит перестройка ге нов. У человека все паразитические повторы ДНК кажутся старыми; нет доказательств их эволюции.

29.

Для генома человека установлен

30.

Предварительный список предполагаемых функций
26588 генов (60%) генома человека

31.

Генетические карты – это схемы, отражающие
порядок расположения всех генов человека, особенно
генов нас -ледственных болезней, других генетических
элементов.
Генетическое расстояние между генами измеряется в
сантиморганидах (сМ); одна сМ – это такое минималь ное расстояние между генами, при котором кроссинговер возможен у 1% гамет и соответствует частоте реком бинаций между двумя локусами равной 1%. Длина
генома человека равна примерно 3000-3500 сМ.
Физические карты – это схемы хромосом, отражающие
физическое расстояние между генами выражаемое в па рах нуклеотидов. На хромосомах после дифференциального окрашивания выявляются поперечные диски (бэн ды) . Размер небольшого диска равен приблизительно 1
млн н.п. на физических картах.
Карты генов наследственных болезней, их расположение
в геноме (гены, мутации которых приведут к
возникновению болезни) называется патологической
анатомией генома человека.
бэнды