Генный уровень это

Генный уровень это

Основополагающим моментом возникновения научных представлений в области генетики явилось открытие Г.Менделем в 1865г. законов наследования элементарных структур, названных позднее генами. Открытие Менделя опередило своё время. Полученные им результаты исследования и сделанные выводы на основании этого оставались незамеченными биологами почти 35 лет. Официальной датой рождения генетики считается 1900г. Это год повторного переоткрытия законов Менделя сразу несколькими учёными Орреньсом, Чермаком, Дефризом. После этого события началось интенсивное изучение процессов наследственности. Это повлекло за собой появление новой терминологии. Сама наука о наследственности и изменчивости получила название генетики (Бексон). Менделевскую единицу наследственности стали называть геном. Термен ГЕН предложит Иогансон в 1909г. в 1911г. Т.Морган, Бриджес, Миллер и др. сформулировали хромосомную теорию наследственности и впервые указали на хромосомную локализацию генов. В начале 20 века большой вклад в изучение природы гена и развитие генетики внесли наши соотечественники, в частности Белозерский, который доказал, что в состав хромосом входит ДНК. К этому времени было уже известно о роли ДНК, как хранителе наследственной информации. Два других советских учёных Филиппов и Надсон получили искусственным путём мутации, они изучали индуцированный мутагенез. Н.И.Вавилов открыл закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, т.е. установил, что у генетически близких видов возникают сходные мутации. Кольцов и Четвериков изучали механизмы возникновения мутаций в генах различных организмов. С 40-х годов 20 века до 1956г. генетика в нашей стране был запрещена.

 

После доказательства роли ДНК стал вопрос о локализации гена в клетке. В 1940г. Биддр и Татум выдвинули теорию — один ген – один фермент – один признак. Согласно этой теории, каждый ген имеет только одну первичную функцию, состоящую в том, чтобы направить синтез одного фремента. В 1949г. Л.Поллинг и его коллеги изучали заболевания серповидно-клеточная анемия, и сделали вывод, что это молекулярная болезнь, контролируемая геном. Работы Сингера по изучению первичной структуры белка привели к уточнению гипотезы ген-фермент в гипотезу один ген – один полипептид. В середине 20 века Г.Гаммов открыл генетический код и показал, что он триплетный. Ниренберг, Моттеи и Очоа в 1961г. полностью расшифровали генетический код. Были установлены триплеты для всех 20-ти аминокислот, участвующих в синтезе земных белков. Показано, что генетический код имеет вырожденный характер, обладают универсальным свойством, характеризуются неперекрываемостью, т.е. информация считывается последовательно потриплетно. Таким образом, постепенно сформировались представления о современной природе гена. Согласно этим представлениямген – это единица генетического материала, которая передаётся от родителей потомству и может быть обнаружена в эксперименте по её способности мутировать другие состояния, рекомбенировать с другими такими же единицами и функционировать, наделяя организм каким-то конкретным фенотипом.В дальнейшем была исследована структура гена работой отечественных учёных Дубинина и Ромашова, зарубежных Безер, Демерец, помогли раскрыть молекулярные основы гена. В пределах гена были выделены цистроны, реконы и мутоны.

Рекон – наименьшая единица рекомбинации, она может быть равна всего двум парам нуклеотидов.

Мутон – единица мутации гена. Наименьшие размеры мутона – одна-две пары нуклеотидов.

Наименьшей единицей функциональной активности гена является цистрон. Впоследствии цистроном стали называть участок молекулы ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, определяющий первичную структуру, синтезируемой молекулы иРНК (мРНК).

Современный период понимания природы гена начался в 70-х годах 20-го века. Он связан с появлением знаний о прерывистой структуре генов эукариот. Гены эукариот имеют интрон-экзонную структуру. Чередование интронов и экзонов определяют дискретность или прерывистость гена. Это одно из важнейших свойств гена.

Другим важным свойством является специфичность, она определяется особым чередованием нуклеотидов в пределах каждого гена.

Каждый ген может отвечать за развитие нескольких признаков. Это свойство гена называется плейотропией. Примером является синдром Морфана, который заключается в том, что один ген определяет несколько симптомов: орахнодактилия (паучьи пальцы), патология соединительной ткани (аневризма аорты, подвывих хрусталика, астеническое телосложение).

Градуальность – заключается в том, что ген может усиливать степень проявления признака при увеличении числа доминантных аллелей в генотипе (серповидно-клеточная анемия: у гомозигот (АА) болезнь протекает очень тяжело и заканчивается летальным исходом обычно до наступления половой зрелости; у гетерозигот (Аа) болезнь протекает в слабой форме, они жизнеспособны и могут оставлять потомство; смертность от серповидно-клеточной анемии очень высока, особенно в детском возрасте у гомозигот).

Полигенность – заключается в том, что на развитие одного и того же признака могут влиять разные гены, у человека имеются огромное количество полигенных признаков, например, рост, масса тела, способность к лактации, умственные способности, АД и многие другие признаки контролируются несколькими парами генов, т.е. являются полигенными.

Пенетрантность – частота пробиваемости гена в признак. Она измеряется в процентах. Пенетрантность – это процент индивидуумов, несущих ген, у которых он фенотипически проявляется. Большинство генов, особенно доминантных, обладают пенетрантностью 100%. В некоторых случаях пробиваемость генов менее 100% — это зависит от целого рядя факторов: от генотипа (у гомозигот по шизофрении пенетрантность 100%, а у гетерозигот 20%), от пола (ген подагры проявляется у мужчин с пенетрантностью 20%, а у женщин 0%), от возраста (хорея Гентингтона проявляется у молодых людей в 20-24 года с пенетрантностью 8,3%, а у людей 30-34 года пенетрантность составляет 18%), от фактора внешней среды, в том числе и социальные факторы, напрмиер уровень врачебной помощи (во Франции враждённый вывих бедра составляет 7-8%, а в России 20%). При ранней диагностике и своевременном правильном лечении можно снизить пенетрантность довольно значительно.

Совокупность генов в клетке называется ГЕНОМ. Количество генов, которое входит в состав генома разнообразно, отличается у разных видов живых существ. У человека общее количество генов по последним сведениям составляет более 30000. Однако, в активном состоянии находится примерно 5-7% генов в каждый определённый период онтогенеза. Площадь гена составляет 3*10-9м степени.

Возможность регуляции (диффиренциальной активности генов), способы её регуляции в настоящее время ещё только изучаются. Тонкий механизм регуляции работы генов полностью не изучен, особенно у эукариот. Известны лишь общие правила, согласно которым определённые наборы генов избирательно активируются в каждой клетке в определённые периоды онтогенеза.

Гипотеза, которая сыграла важную роль в понимании работы генов, была выдвинута на основе изучения генов кишечной палочки, растущей на смеси глюкозы и лактозы. Если бактерии предоставляли выбор источника углевода, то она сначала использовала глюкозу, а когда глюкоза в среде заканчивалась, она начинала метабилизировать лактозу. Сопрвождалось остановкой роста. При этом установили, что кишечная палочка начинала синтезировать фермент галактозидазу. Этот фермент расщиплял, гидролизировал лактозу до глюкозы и галактозы. Выделение и характеристика мутантных бактерий, обладающих диффектами в регуляции такого подключения дало толчок исследований, которые в 1961г. привели к выделению из смеси белка-репрессора – лактозного оперона.

Французские биологи Жакоб и Моно установили, что кроме структурных генов, которые определяют структуру полипептида, существуют регуляторные гены. Они регулируют работу структурных генов. Эти гены называются регуляторными. Таким образом, синтез белка находится под двойным контролем.

В состав оперона у прокариот входят и те и другие.

Действия генов-регуляторов состоит в подавлении деятельности структурных генов. Путём образования некоторого цитоплазматического продукта белка-репрессора. Изучение утилизации лактозы кишечной палочки привело исследователей к выводу о существовании белка-репрессора. Этот белок в отсутствии лактозы в среде выключает синтез фермента бетта-галактозидазы. Репрессор ингибирует работу оперона, он связывается с геном-оператором и образует препятствие для прохождения фермента РНК-полимеразы от зоны промотора к структурным генам. При этом транскрипция ближайших участков ДНК не происходит. Таким образом, белок-репрессор по сути дела отвечает за то, чтобы синтез бета-галактозидазы соответствовал потребностям клетки. Лактозный репрессор в свою очередь сам находится под контролем алло-лактозы. Алло-лактоза образуется в клетке под контролем, в присутствии лактозы. Алла-лактоза выполняет функцию аллостерического регулятора. То есть индуцирует конформационные (пространственные) изменения в молекуле репрессора, поэтому его связь с ДНК, то есть с геном-оператором, ослабевает, он отделяется от молекулы ДНК и освобождает промотор. РНК-полимераза приобретает возможность обеспечивать транскрипцию структурных генов. Это называется дерепрессией генов. Такая система регуляции позволяет бактерии синтезировать фермент, необходимый для расщепления лактозы тогда, когда это необходимо.

В опытах Жакоба и Мано были изучены основы регуляции генной экспрессии и дифференциальной активности генов, то есть было показано, что ген работает не всегда и не везде. У каждого гена имеется своё время действия и поле действия.

Регуляция работы генов у эукариот осуществляется значительно сложнее, менее изучена, чем у бактерий. В первую очередь это связано с особенностями организации генома эукариот. Экспрессия генов эукариот контролируется на пяти уровнях. К числу особенностей генов эукариот относятся прерывистая, интрон-экзонная структура генов. С этим связан тот факт, что в процессе биосинтеза белка имеется особый этап, который называется процессинг. Частью процессинга является сплайсинг – вырезание интронов и сшивание экзонов. Таким образом, из одной и той же нуклеотидной последовательности гена могут формироваться разные варианты белковых молекул (альтернативный сплайсинг). Предполагают, что у эукариот каждый оперон содержит только один структурный ген и множество регуляторных генов. Структурные гены у эукариот, ответственные за разные звенья одной цепи биохимических реакций, могут быть сосредоточены не в одном мечте, а рассеяны по всему геному. У эукариот может быть одновременно групповое подавление активности генов в целой хромосоме или на большом её участке. Этот процесс обеспечивается белками-гистонами, входящими в состав хромосом. У высших организмов взаимоотношение регуляторных и структурных генов осложняется в силу ряда причин:

1. Наличие обособленного от цитоплазмы ядра

2. Сложное строение хромосом

3. Диффиренцировака или специализация клеток

4. Влияние общих систем регуляции организма (гормоны, метаболиты и др. биологически-активные вещества, все эти вещества оказывают сильное трансформирующее влияние на проявление генной активности)

У эукариот, как правило, наблюдается групповая регуляция активности генов на этапе транскрипции, связанная с особенностями организации гетерохроматиновых и эухроматиновых участков хромосом. Эурохроматиновые участки – низкая конденсация и генетически активны. Гетерохроматиновые участки – высокая степень конденсации и генетически неактивны.

Известны механизмы регуляции генов, которые происходят на урове трансляции. Здесь происходит отбор матричных или информационных РНК, который осуществляется рибосомами.

Регуляция работы генов может происходить и на уровне эпигенеза, т.е. пострансляционного преобразования белка. Таким образом, необходимо отметить, что процесс регуляции работы генов у эукариот носит многоуровневый характер и неограничевается процессами, происходящими в пределах одной клетки. Для млекопитающих и человека установлено существование большого числа факторов регуляции работы генов различных надклеточных уровней (тканеспецефические, органоспецифические белки-активаторы, факторы нервной и эндокринной систем, например, существует белок беттаглобин, он является тканеспецифическим белком. Ген, который его кодирует, может активно работать в клетках красного костного мозга и их предшественников). Таким образом, изучение структуры и регуляции работы генов легло в основу центральной догмы молекулярной биологии:

1. Ген – участок ДНК, хранитель наследственной информации

2. Генетическая информация записана в пределах гена с помощью генетического кода, т.е.с помощью определённой последовательности нуклеотидов в кодогенной цепи ДНК

3. Реализация наследственной информации осуществляется посредством биосинтеза белка, который представляет собой сложный многоэтапный процесс: а) образование проиРНК (транскрипция); б) образование иРНК (процессинг); в) синтез полипептида (трансляция); г) формирование белка-фермента (эпигинез).

4. Белок-фермент включается в метаболизм, в результате формируются признаки или варианты признаков (норма и патология). Данная схема показывает, если все этапы реализации генетической инфомрации происходят без изменений, формируется нормальный признак. Если на каком-то этапе происходит нарушение, то это приведёт к возникновению патологического признака.

 

 


Дата добавления: 2014-12-15; просмотров: 164 | Нарушение авторских прав


lektsii.net — Лекции.Нет — 2014-2019 год. (0.013 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав


Источник: lektsii.net


Добавить комментарий