ДНК – основной материальный носитель наследственности

Доказательства важнейшего генетического значения ДНК были получены в результате анализа многих факторов и специально поставленных опытов. Почти вся ДНК находится в хромосомах. В различных организмах содержится разное количество ДНК. Но у одного и того же организма в различных клетках (их ядрах) ее количество одинаково, хотя сами клетки значительно различаются по своему химическому составу.

Количество ДНК в половых клетках в два раза меньше, чем в соматических. При образовании гамет оно уменьшается ровно наполовину и точно восстанавливается в зиготе. Соответственно изменению числа хромосом изменяется количество ДНК в соматических и половых клетках. Таким образом, изменение в клетках количественного содержания ДНК регулируется процессами мейоза и оплодотворения. Это указывает на прямую связь ДНК с размножением организмов.

Мутагенное действие различного рода излучений и химических веществ на организмы связано в первую очередь с изменением ДНК. Так, было установлено, что спектр мутагенного действия ультрафиолетовых лучей соответствует спектру их поглощения ДНК и не соответствует спектру поглощения хромосомных белков. Белки поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 180 нм, а ДНК — 260 нм (в том диапазоне, в котором эти излучения вызывают больше всего наследственных изменений). При действии лучей Рентгена на чистые препараты ДНК ее молекулы разрушались. Горчичный газ (иприт) и некоторые другие химические мутагены оказывают на ДНК значительно большее химическое действие, чем на белок и другие вещества клетки.

Важнейшее свойство клетки — способность ее к самовоспроизведению. Но, кроме ДНК, ни один составной компонент клетки, в том числе и все белки, таким свойством не обладают. Способность молекул ДНК к саморепродукции имеет непосредственную связь с клеточным делением и размножением организмов. Молекулы ДНК в сравнении с белковыми обладают огромной устойчивостью. С этим свойством ДНК связано большое постоянство наследственности. Прямым доказательством генетической роли ДНК служат опыты по бактериальной трансформации.

Трансформация. В 1928 г. английский бактериолог Ф. Гриффите наблюдал изменение наследственных свойств бактериальных клеток пневмококков под влиянием какого-то вещества, выделяющегося из других клеток. У пневмококков Diplococcus pneumoniae имеется два штамма, хорошо различимых по внешнему виду и болезнетворным свойствам. Клетки одного из них (5-штамм) заключены в капсульные оболочки, состоящие из полисахаридов, отличаются высокой вирулентностью и вызывают у некоторых млекопитающих тяжелое заболевание — инфекционную пневмонию. Клетки другого штамма (S-штамм) не имеют капсульных оболочек и невирулентны. В опытах Гриффитса мыши, которым вводился вирулентный штамм, погибали. При введении невирулентного штамма они оставались живыми. Клетки вирулентного штамма, предварительно убитые нагреванием, также не вызывали заболевания.

Казалось бы, ничего нового этот опыт дать и не мог. Но совершенно неожиданные результаты были получены у четвертой группы мышей, которым вводили смесь невирулентных и вирулентных, но убитых нагреванием клеток. Эти мыши заболевали инфекционной пневмонией и также погибали, как и мыши первой, группы, которым вводился вирулентный штамм. В выделениях таких больных животных обнаруживались капсульные вирулентные клетки пневмококков. Следовательно, взаимодействие невирулентных и убитых нагреванием вирулентных клеток восстанавливало свойства и внешние признаки последних. Происходила трансформация — передача особенностей одних клеток другим. Самое интересное в этих опытах заключалось в том, что трансформация происходила под влиянием какого-то вещества небелкового характера, поскольку клетки донора предварительно были убиты.

В начале 30-х годов в ряде опытов была показана возможность трансформации вне организма (in vitro), прямо в пробирке. В одном из таких опытов капсульные клетки пневмококков разрушали и смешивали с бескапсульными клетками. Через некоторое время в результате совместного выращивания некоторая часть бескап-сульных клеток превращалась в капсульные и приобретала свойство вирулентности. В последующие годы от одних видов бактерий другим передавали способность образовывать какой-либо белок-фермент, катализирующий в клетке определенный, химический процесс. Таким образом, в различных опытах по трансформации под влиянием какого-то вещества у бактерий происходило направленное изменение определенного наследственного свойства.

Ответ на вопрос, что представляет собой это вещество, посредством которого осуществляется бактериальная трансформация, был дан в 1944 г. в экспериментах американских микробиологов-генетиков под руководством О. Эвери. Продукты разрушенных капсульных клеток бактерий были ими разделены на различные химические компоненты, каждый из которых оценивался на способность вызывать трансформацию признака кансульности. Приэтом обнаруживалось, что только одно вещество обладало способностью превращать бескапсульные клетки в капсульные. С помощью химических методов было показано, что этим веществом, обладающим высокой трансформирующей активностью, является чистая ДНК- Опыт, произведенный в лаборатории Эвери, был многократно повторен в отношении трансформации признака капсулыюсти и многих других наследственных признаков у бактерий и получил полное подтверждение.

Путем бактериальной трансформации в пробирке неустойчивые к стрептомицину клетки пневмококков были превращены в стрептомициноустойчивые. У этого вида микроорганизмов имеются два штамма, по-разному реагирующих на стрептомицин: один в присутствии его в среде погибает, клетки другою могут нормально расти. Клетки стрептомициноустойчивых пневмококков разрушили в пробирке, и из них выделили ДНК. После добавления такой очищенной ДНК в среду, на которой развивались неустойчивые к стрептомицину пневмококки, некоторые из них приобретали наследственную устойчивость к этому антибиотику. Таким образом, во всех случаях бактериальной трансформации направленное изменение свойств бактерий вызывала ДНК. В то же время попытки вызвать бактериальную трансформацию другими химическими веществами, входящими в состав клетки, оказались совершенно безрезультатными.

В настоящее время изучено много случаев бактериальной трансформации и во всех из них точно установлено, что изменения признаков происходят благодаря ДНК. Открытие Эвери и его сотрудников имело для последующего развития генетики выдающееся значение. Установление связи ДНК с наследственными свойствами клетки положило начало изучению закономерностей наследственности и изменчивости организмов на молекулярном уровне.

ДНК и вирусы. Вирусы — это внутриклеточные паразиты животных, растений и бактерий. Вирусы, поражающие бактерии, называют бактериофагами или просто фагами (в буквальном переводе «фаг» — пожиратель бактерийу). Вирусы состоят из белковой оболочки, заполненной молекулой нуклеиновой кислоты. В химическом отношении они представляют собой нуклеопротеиды. Частицы одних вирусов содержат ДНК, в состав же других входит только РНК. В последнее время были открыты РНК-ДНК-со-держащие вирусы. Их геном состоит попеременно из РНК и ДНК. Для изучения свойств нуклеиновых кислот и явлений наследственности на молекулярном уровне наиболее широко были использованы фаг Т2, размножающийся внутри клеток кишечной палочки Еscherichia coli, и вирус табачной мозаики (ВТМ). Частица фага Т2 состоит наполовину из ДНК и наполовину из различных, белков. При сильном увеличении у него хорошо различается шестиугольная головка и нитевидный хвост, в конце его имеется пластинка, к которой прикрепляются хвостовые нити. Внутри головки помещается туго скрученная в спираль очень длинная нить ДНК.

Атакуя бактерию, фаг «садится» хвостом на нее и хвостовыми нитями прикрепляется к ее поверхности. Вслед за этим он впрыскивает в клетку-хозяина свою ДНК. Белковая оболочка фага при этом остается на поверхности клетки. Попав внутрь клетки, ДНК фага парализует нормальную работу клетки, клеточная ДНК распадается, и синтез белков в ней прекращается. Весь контроль над биохимическим аппаратом клетки переходит к вирусной ДНК, которая полностью переключается на производство белковых молекул, необходимых для репродукции новых вирусных частиц, С огромной скоростью ДНК вируса начинает «штамповать» себе подобные структуры: примерно за 20 минут образуется несколько сотен новых зрелых частиц фага. Они переполняют клетку, оболочка ее разрывается, и частицы фага, выходят во внешнюю среду, готовы поражать новые бактериальные клетки.

Очень наглядно и точно генетическая роль ДНК была установлена Херши и Чейз благодаря использованию изотопной метки при изучении размножения фага Т2. Белок фага был помечен радиоактивной серой (³⁵S), а ДНК — радиоактивным фосфором (³²Р).

Такой препарат фага смешивали с суспензией бактериальных клеток. После этого в потомстве фага с помощью специальных счетчиков радиоактивности прослеживали распределение метки. Оказалось, что новые фаговые частицы содержали только испускавший β-излучение радиоактивный фосфор, которым была помечена ДНК. Меченый белок родительского фага дочернему поколению не передавался. ³⁵S ни у одной частицы в белковой оболочке не содержалась.

Вирус табачной мозаики устроен предельно просто. Он имеет палочковидную форму и состоит из длинной нити РНК, на которую нанизано несколько сотен совершенно одинаковых белковых молекул. РНК у ВТМ выполняет ту же функцию, что ДНК у фагов и других вирусов. Если РНК этого вируса отделить от своего белкового «футляра» и ввести внутрь клетки растения, то произойдет заражение и образуются новые многочисленные частицы фага. Встряхивая в водном растворе фенола суспензии частиц фага, отделяют РНК вируса от его белка. Затем заражают листья табака отдельно каждым компонентом. При этом оказывается, что белковая часть заражения не производит, а втирание в листья РНК вызывает заболевание, сопровождающееся образованием в клетках новых частиц вируса.

Опыты с фагом Т2 и ВТМ убедительно доказывают, что материальная преемственность между заражающей частицей и ее потомками обеспечивается исключительно посредством проникающей в бактериальную или растительную клетку ДНК или РНК.

Трансдукция. Поражая бактерию, фаг не всегда ее уничтожает. Иногда процесс вирусной инфекции протекает иначе, чем это было описано выше. ДНК фага, попав в клетку, может прикрепляться к бактериальной хромосоме и образовывать так называемый профаг. Он может делиться вместе с бактериальной хромосомой и при соответствующих постоянных внешних условиях в течение длительного времени передаваться от одного клеточного поколения другому. Но условия могут измениться так, что начнется репродуцирование частиц фага, и клетка погибнет. При этом, отдельные фаговые частицы, как это показали в 1952 г. Н. Циндер и Дж. Ледерберг, в процессе размножения могут случайно захватывать очень небольшие кусочки, хромосомы клетки-хозяина и переносить вместе с ними гены из одной клетки в другую. Такой перенос фагами генетического материала из одних клеток в другие называется трансдукцией (от лат. transductio — перенос). Прикрепляясь к какой-нибудь другой бактериальной клетке, фаг вместе со своей ДНК впрыскивает в нее и этот, захваченный ранее фрагмент. Попав в клетку, такой фрагмент в результате кроссинговера может оказаться в хромосоме бактерии. Если фаг выращивался на одном бактериальном штамме, а затем трансдуцировал другой штамм, генотип последнего может измениться.

Таким образом, совокупность всех полученных в описанных исследованиях данных убедительно показывает, что ДНК — это химическое вещество, в котором организм сохраняет свои наследственные свойства, т. е. наследственная информация организма записана в структуре молекул ДНК.

Структура ДНК, объясняющая ее роль как материального носителя наследственности. Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.С химической точки зрения, ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.

20.Особенности репликации ДНК у прокариот и эукариот.

Доказательства полуконсервативного способа репликации ДНК.Одним из фундаментальных свойств ДНК, обеспечивающих передачу наследственной информации от клетки к клетке в процессе деления от родителей к потомкам является репликация. Репликация НК обеспечила возможность возникновения жизни и непрерывность живой материи. Предположение о полуконсервативном способе репликации ДНК (т.е новая молекула представлена одной родительской и одной вновь синтезированной цепями) высказано еще Уотсоном и Криком. Первые доказательства получены в 1957г. М.Мезельсоном и Ф.Сталем. Вновь синтезируемые молекулы ДНК метели ¹⁵N. Для этого бактерии E. Coli в течении нескольких делений выращивали на среде с единственным источником азота ¹⁵NH₄Cl (хлорид аммония) Вся ДНК была равномерно помечена ¹⁵N и имела более высокую плотность. Образцы с тяжелой и легкой ДНК легко разделить при центрифугирование в градиенте плотности хлорида цезия, образуя в УФ длиной 160нм 2 зоны поглощения. Если бактерии, выращенные на среде с ¹⁵N переносили в среду с ¹⁴N и давали поделится 1 раз, то экстрагированная из них ДНК давала только 1 зону поглощения в УФ – промежуточную. Это исключало консервативный механизм репликации, при котором новые молекулы не содержат материала родительской ДНК. Если давали поделится на обычной среде 2 раза, то появлялся пик легкой ДНК и сохранялся пик промежуточной, не исчезающей при последующих деления. Хромосома бактерий представляет собой один репликон. Репликон – автономная единица репликации, в пределах которой она начинается и заканчивается. Хромосома эукариот полирепликонна и содержит сотни репликонов. В каждом репликоне присутствуют необходимые для репликации контролирующие элементы: точка инициации origin и точка окончания terminalis.

22.Процессинг. Альтернативный сплайсинг. Обратная транскрипция. Ретровирусы.

Альтернативный сплайсинг — процесс, в ходе которого экзоны, вырезаемые из пре-мРНК, объединяются в различных комбинациях, что порождает различные формы зрелой мРНК. В результате один ген может порождать не одну, а множество форм белка.Пре-мРНК некоторых генов эукариот могут подвергаться альтернативному сплайсингу. При этом интроны в составе пре-мРНК вырезаются в разных альтернативных комбинациях. Разные варианты альтернативного сплайсинга одной пре-мРНК могут осуществляться в разные периоды развития организма или в разных тканях, а также у разных особей одного вида [1]. Как правило, при альтернативном сплайсинге из первичного транскрипта удаляются и некоторые экзоны.Существует несколько механизмов альтернативного сплайсинга:Экзон может вырезаться или оставаться в составе мРНК.Один из двух «взаимоисключающих» экзонов вырезается, а другой остаётся.Использование альтернативного донорных сайтов: используются разные 5'-точки разрезания первичного транскрипта (донорные сайты), что изменяет 3'-границу вышележащего (upstream) экзонаИспользование альтернативных акцепторных сайтов: используются разные 3'-точки разрезания транскрипта (акцепторные сайты), так что меняется 5'-границы нижележащего (downstream) экзона.Сохранение интронов в составе мРНК. В этом случае для сохранения функциональности белка интрон должен содержать последовательность нуклеотидов, не вызывающую сдвиг рамки считывания и не содержащую стоп-кодонов.Существуют и другие механизмы альтернативного сплайсинга. Обратная транскрипция — это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении.Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки.Некоторые из продуктов альтернативного сплайсинга пре-мРНК нефункциональны (такой вариант альтернативного сплайсинга осуществляется у дрозофилы при определении пола), но нередко в результате альтернативного сплайсинга пре-мРНК одного гена образуются многочисленные мРНК и их белковые продукты.Показано, что у человека 94 % генов подвержено альтернативному сплайсингу (у остальных 6 % генов нет интронов). Геном круглого червя Caenorhabditis elegans по количеству генов практически не отличается от генома человека, однако альтернативному сплайсингу подвергаются пре-мРНК только 15 % генов. Таким образом, альтернативный сплайсинг позволяет увеличить разнообразие белковых продуктов генов, сохраняя при этом относительно небольшое количество различных генов в геноме и не создавая избыточных копий генов.В 2010 году профессор Брендан Фрей (Brendan Frey) и Бенджамин Бленкоу (Benjamin Blencowe) из университета Торонто (Канада) составили описание «кода сплайсинга», «словаря» комбинаций из сотен характеристик РНК и результатов сплайсинга для большого количества экзонов. Ретрови́русы (лат. Retroviridae) — семейство РНК-содержащих вирусов, заражающих преимущественно позвоночных. Наиболее известный и активно изучаемый представитель — вирус иммунодефицита человека.После инфицирования клетки ретровирусом в цитоплазме начинается синтез вирусного ДНК-генома с использованием вирионной РНК в качестве матрицы. Все ретровирусы используют для репликации своего генома механизм обратной транскрипции: вирусный фермент обратная транскриптаза (или ревертаза) синтезирует одну нить ДНК на матрице вирусной РНК, а затем уже на матрице синтезированной нити ДНК достраивает вторую, комплементарную ей нить. Образуется двунитевая молекула ДНК, которая, проникнув через ядерную оболочку, интегрируется в хромосомную ДНК клетки и далее служит матрицей для синтеза молекул вирусных РНК. Эти РНК выходят из клеточного ядра и в цитоплазме клетки упаковываются в вирусные частицы, способные инфицировать новые клетки.По одной из гипотез, ретровирусы могли произойти от ретротранспозонов — подвижных участков генома эукариот

23.Трансляция. Роль рибосом и разных типов РНК в этом процессе. Основные этапы трансляции.

Трансляцией - осуществляемый рибосомой синтез белка из АК-т на матрице иРНК или мРНК. Синтез белка является основой жизнедеятельности клетки. Для его в клетках всех без исключения организмов имеются рибосомы, представляющие собой рибонуклеопротеидные комплексы, построенные из 2 субъединиц: большой и малой. Ф-ция: распознавание трёхбуквенных (трехнуклеотидных) кодонов мРНК, сопоставлении им соответствующих антикодонов тРНК, несущих АК-ты, и присоединении этих АКт к растущей белковой цепи. Двигаясь вдоль молекулы мРНК, рибосома синтезирует белок в соответствии с информацией, заложенной в молекуле мРНК.

Для узнавания АКт в клетке имеются специальные «адаптеры», молекулы тРНК, имеющие форму клеверного листа. Они имеют участок (антикодон), комплементарный кодону мРНК, а также другой участок, к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодону. Присоединение аминокислот к тРНК осуществляется в энерго-зависимой реакции ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, а получившаяся молекула называется аминоацил-тРНК. Таким образом, специфичность трансляции определяется взаимодействием между кодоном мРНК и антикодоном тРНК, а также специфичностью аминоацил-тРНК-синтетаз, присоединяющих аминокислоты строго к соответствующим им тРНК (например, кодону GGU будет соответствовать тРНК, содержащая антикодон ACC, а к этой тРНК будет присоединяться только аминокислота глицин).

Механизмы трансляции прокариот и эукариот существенно отличаются, поэтому многие вещества, подавляющие прокариотическую трансляцию, в значительно меньшей степени действуют на трансляцию высших организмов, что позволяет использовать их в медицинской практике как антибактериальные средства безопасные для организма млекопитающих.

Процесс трансляции разделяют на:

-инициацию — узнавание рибосомой стартового кодона (AUG – метионин) и начало синтеза.

-элонгацию — собственно синтез белка.

-терминацию — узнавание терминирующего кодона (стоп-кодона) и отделение продукта.

Инициация

Синтез белка начинается с AUG-кодона (метионин). Инициация: узнавание рибосомой этого кодона и привлечение инициаторной аминоацил-тРНК + необходимо наличие опр нуклеотидных последовательностей в районе стартового кодона (защите 5'-конца мРНК - 5'-кэп). – необходимо. Чтобы инициация не происходила хаотично на всех AUG-кодонах.

Процесс инициации обеспечивается специальными белками — факторами инициации

Прокариотические рибосомы потенциально способны находить стартовый AUG и инициировать синтез на любых участках мРНК, эукариотические рибосомы обычно присоединяются к мРНК в области кэпа и сканируют её в поисках стартового кодона.

Схема инициации трансляции у прокариот.
Связывание малой рибосомной субъединицы (30S) с мРНК (2 способа: либо сначала к мРНК присоединяется комплекс, содержащий рибосомную субчастицу, а затем к нему привлекается тРНК в комплексе с IF2 и ГТФ, либо 30S субъединица изначально связывается с тРНК, а уже потом садится на мРНК). К образовавшемуся комплексу приходит большая (50S) рибосомная субъединица, инициаторные факторы отсоединяются от 30S субчастицы, что сопровождается гидролизом ГТФ белком IF2, и собранная рибосома начинает элонгировать цепь. Малая рибосомная субъединица (30S) прокариот, если она не вовлечена в данный момент в трансляцию, существует в комплексе с инициаторными факторами IF1, IF3, и, в некоторых случаях, IF2. IF3, связанный с 30S-субъединицей, предотвращает ассоциацию с большой (50S) субъединицей рибосомы, тем самым сохраняя ее свободное состояние до связывания с матричной РНК. Этот белок также принимает участие в связывании мРНК и тРНК, а также IF2.

IF2 взаимодействует с тРНК, а также обладает способностью расщеплять ГТФ.

IF1 является, по-видимому, не обязательным фактором (у некоторых видов он отсутствует) повышающим сродство малой субчастицы к IF2 и IF3.

Комплекс 30S субчастицы с инициаторными факторами способен узнавать специальные последовательности мРНК, так называемые участки связывания рибосомы. Эти участки содержат, во-первых, инициаторный AUG, и, во-вторых, специальную последовательность Шайна-Дальгарно с которой комплементарно связывается рибосомная 16S РНК. Последовательность Шайн-Дальгарно служит для того, чтобы отличать инициаторный AUG от внутренних кодонов, кодирующих метионин. После того, как 30S-субъединица связалась с мРНК к ней привлекается инициаторная аминоацил-тРНК и IF2, если они еще не были включены в комплекс. Затем присоединяется 50S-субчастица, происходит гидролиз ГТФ и диссоциация инициаторных факторов. Собранная рибосома начинает синтезировать полипептидную цепь.

У эукариот существуют два механизма нахождения рибосомой стартового AUG: кэп-зависимый (сканирующий) и кэп-независимый (внутренняя инициация).

При сканирующем механизме рибосома (точнее, её малая субъединица) садится на 5'-конец мРНК в области кэпа и двигается вдоль молекулы мРНК, «сканируя» один кодон за другим, пока не наткнётся на инициаторный AUG. Для привлечения рибосомы к 5'-концу мРНК требуется специальная структура, кэп — 7-метилгуанин, прикреплённый к 5'-концевому нуклеотиду мРНК.

При механизме внутренней инициации, называемом у эукариот также IRES-зависимым механизмом, рибосома садится на внутренний участок мРНК, называемый IRES - участок мРНК, обладающий выраженной вторичной структурой, позволяющей ему направлять рибосомы на стартовый AUG. По IRES-зависимому механизму инициируется синтез лишь на небольшой части клеточных мРНК, а также на РНК некоторых вирусов.

Также у эукариот возможна реинициация трансляции, когда после окончания трансляции рибосома с белковыми факторами не диссоциирует от мРНК, а перескакивает с 3' на 5' конец мРНК и начинает инициацию ещё раз. Такое возможно благодаря замкнутой кольцевой форме мРНК в цитоплазме.

Элонгация

В процессе наращивания полипептидной цепи принимают участие два белковых фактора элонгации. Первый (EF1a у эукариот, EF-Tu — у прокариот) переносит аминоцилированную (заряженную аминокислотой) тРНК в А (аминоацил)-сайт рибосомы. Рибосома катализирует образование пептидной связи, происходит перенос растущей цепи пептида с Р-сайтовой тРНК на находящуюся в А-сайте, пептид удлиняется на один аминокислотный остаток. Затем второй белок (EF2 у эукариот, EF-G — у прокариот) катализирует так называемую транслокацию. Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК на один триплет, в результате которого пептидил-тРНК оказывается вновь в Р-сайте, а «пустая» тРНК из P-сайта переходит в Е-сайт (от слова exit). Цикл элонгации завершается, когда новая тРНК с нужным антикодоном приходит в A-сайт.

Терминация — окончание синтеза белка, осуществляется, когда в А-сайте рибосомы оказывается один из стоп- кодонов — UAG, UAA, UGA. Из-за отсутствия тРНК, соответствующих этим кодонам, пептидил-тРНК остаётся связанной с Р-сайтом рибосомы. Здесь в действие вступают специфические белки RF1 или RF2, которые катализируют отсоединение полипептидной цепи от мРНК, а также RF3, который вызывает диссоциацию мРНК из рибосомы. RF1 узнаёт в А-участке UAA или UAG; RF-2 — UAA или UGA. С UAA терминация эффективнее, чем с другими стоп-кодонами.

В отличие от прокариот, у которых биосинтез белка происходит непосредственно во время транскрипции соответствующих мРНК, для эукариот характерна строгая компартментализация всех процессов, происходящих во время биосинтеза белка, в том числе и компартментализация трансляции.

Компартментализация трансляции обеспечивает высокую скорость биосинтеза белка и широкие возможности регуляции этого процесса.

24.Молекулярные маркеры ДНК (ПДРФ, RAPD, SSR). Микро- и минисателлиты. Фингерпринтинг как метод идентификации личности.

ПДРФ - маркеры ПДРФ (полиморфизм длин рестрикционных фрагментов ДНК,

Было установлено, что генетическим маркером может быть любое место в геноме, где произошло изменение в последовательности ДНК, которое обнаруживается как внут­реннее различие между индивидами в популяции, но никаких внешних (фенотипических; различий между ними при этом не наблюдается.

У бактерий установлен и выделен целый ряд ферментов рестриктаз, которые узнают специфические последовательности в молекуле ДНК (обычно составляющие 4-6 нуклеотидов) и разрезают двойную спираль внутри или вблизи сайта узнавания, в результате чего образуются рестрикционные фрагменты, или рестрикты.

Отсутствие сайта узнавания может быть связано с делецией. инсер-цией или заменой нуклеотидов. Следовательно, любая мутация, изменяю­щая последовательность нуклеотидов сайта рестрикции, уничтожает этот сайт.

Разновидностями сатДНК являются.микросателлиты (МКС, или про­стые повторяющиеся последовательности - ППП) и минисателлиты (МНС). Минимальная повторяющаяся единица (КОР) микросателлитов включает от 1 до 10 пар нуклеотидов, минисателлитов - 15 -70 пн. Их рас­положение в геноме и число повторений коровых единиц специфичны для каждого организма.

ДНК маркер 100 п.н. (400х2)ДНК маркер получен с помощью гидролиза плазмидной ДНК эндонуклеазой рестрикции, с последующей экстракцией фенол-хлороформом и переосаждением этанолом.Длины фрагментов ДНК: ДНК маркер содержит 11 фрагментов ДНК следующей длины (п.н.): 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 400, 300, 200, 100 Концентрация: 0,5 мг/мл. Условия хранения: 10 мМ Tris-HCl (pH 8.0), 1 мМ EDTA. Хранить при -20°С. 2% агароза1 мкг ДНК маркер 100 п.н. (500х2) ДНК маркер получен с помощью гидролиза плазмидной ДНК эндонуклеазой рестрикции, с последующей экстракцией фенол-хлороформом и переосаждением этанолом. Длины фрагментов ДНК: ДНК маркер содержит 11 фрагментов ДНК следующей длины (п.н.): 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 500, 400, 300, 200, 100 Концентрация: 0,5 мг/мл. Условия хранения: 10 мМ Tris-HCl (pH 8.0), 1 мМ EDTA. Хранить при -20°С. 2% агароза1 мкг ДНК маркер BX100-7 ДНК маркер получен с помощью гидролиза плазмидной ДНК эндонуклеазой рестрикции, с последующей экстракцией фенол-хлороформом и переосаждением этанолом. Длины фрагментов ДНК: ДНК маркер содержит 7 фрагментов ДНК следующей длины (п.н.): 1000, 900, 800, 600, 400, 300, 100 Концентрация: 0,5 мг/мл. Условия хранения: 10 мМ Tris-HCl (pH 8.0), 1 мМ EDTA. Хранить при -20°С.

ДНК-фингерпринтинг оказался эффективен и совсем в другой области: при изучении родственных видов растений и животных, их эволюционных связей. Причем в последнее время для таких исследований все чаще применяют не основную часть генетического материала, которая расположена в ядре клетки и представляет собой «смесь» генов матери и отца, а так называемую митохондриальную - ту, которая хранится вне ядра клетки. Этой ДНК обладает только яйцеклетка, сперматозоид ее лишен. Поэтому каждый живой организм получает митохондриальную ДНК только от матери. Этот в своем роде генетический андерграунд меньше подвержен изменениям и позволяет выяснить степень генетического родства более точно.Можно без преувеличения сказать, что ДНК-фингерпринтинг дал новый информативный срез почти в каждой области биологии. Если сравнить науку со слоеным пирогом, в котором чередуются различные фундаментальные отрасли, то этот метод подобен ножу, рассекающему «пирог» сверху донизу, чтобы обнажить в каждом слое новый удивительный срез. первариабельные участки ДНК представляют собой короткие повторы нуклеотидов, которые можно было бы сравнить также с определенными знаками препинания внутри генетического «текста». Разнообразие этих знаков препинания и их свойство располагаться в самых разных участках ДНК и обеспечивает практически бесконечное разнообразие их сочетаний. Какова функциональная роль гипервариабельных участков, пока окончательно не ясно. Хотя можно предположить, что она может оказаться очень важной, как и наличие запятой в классической фразе «казнить нельзя помиловать». Варианты и чередование таких повторов у каждого человека строго индивидуальны и совпадают только у идентичных близнецов. Чтобы выявить такие участки внутри ДНК, используется маркерный зонд - фрагмент ДНК, содержащий определенную последовательность нуклеотидов - ту, которую предстоит найти. Для того чтобы определить количество и местонахождение таких гипервариабельных участков, длинную нить ДНК «нарезают» на фрагменты разной длины. Полученные фрагменты «сортируют» с помощью гель-электрофореза и смешивают с зондом, несущим радиоактивную или другую метку. В процессе гибридизации зонд с меткой «узнает» сходные с ним последовательности и присоединяется к ним. Участки ДНК, на которые «садится» зонд, тоже становятся мечеными и легко распознаются с помощью специальных методов. После несложной обработки можно увидеть чередующиеся темные и светлые полосы разной ширины, напоминающие штрих-код. Вскоре стало ясно, что гипервариабельные участки ДНК дают новую возможность очень четко идентифицировать индивидуальность человека. Это открытие почти сразу же, с колес, нашло применение в криминалистике. Как в Англии, так и у нас, когда к Евгению Рогаеву, в то время еще недавнему выпускнику МГУ, обратились судмедэксперты с просьбой помочь в расследовании одного сложного дела.Прежде, чем ДНК-фингерпринтинг (fingerprinting - по аналогии с отпечатками пальцев, которые тоже строго индивидуальны) был утвержден как метод криминалистической экспертизы, он уже стал применяться на практике. Это один из самых ярких примеров стремительного соединения теоретических достижений науки с реальными потребностями человечества.

25.Цитологические основы полового и бесполого размножения.

В основе бесполого размножения лежит митоз. Митоз состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы. В профазе увеличивается объем ядра, хромосомы становятся видимыми вследствие спирализации, по две центриоли расходятся к полюсам клетки. В результате спирализации хромосом становится невозможным считывание генетической информации с ДНК и прекращается синтез РНК. Между полюсами протягиваются нити ахроматинового веретена. В конце профазы ядерная оболочка распадается на отдельные фрагменты. На протяжении профазы продолжается спирализация хромосом, которые утолщаются и укорачиваются. После распада ядерной оболочки хромосомы свободно и беспоря­дочно лежат в цитоплазме.

В метафазе спирализация хромосом достигает максимума и укороченные хромосомы устремляются к экватору клетки, распо­лагаясь на равном расстоянии от полюсов. Центромерные участки хромосом располагаются строго в одной плоскости, а сестринские центромеры и хроматиды обращены к противоположным полюсам.

В анафазе центромера каждой из хромосом разделяется, и с этого момента хроматиды становятся самостоятельными дочерними хромосомами. Нити веретена, прикрепленные к центромерам, тянут хромосомы к полюсам клетки, а плечи хромосом при этом пассивно следуют за центромерой. Таким образом, в анафазе хроматиды удвоенных еще в интерфазе хромосом точно расходятся к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два диплоидных набора хромосом.

Завершается митоз телофазой. Хромосомы, собравшиеся у полюсов, деспирализуются и становятся плохо видимыми. Из мембранных структур цитоплазмы образуется ядерная оболочка. В клетках животных цитоплазма делится путем перетяжки тела клетки на две меньших размеров, каждая из которых содержит один диплоидный набор хромосом. В клетках растений цитоплазматическая мембрана возникает в середине клетки и распростра­няется к периферии, разделяя клетку пополам. После образования поперечной цитоплазматической мембраны у растительных клеток появляется целлюлозная стенка.

В митотическом цикле клетки митоз — относительно короткая стадия, продолжающаяся обычно от 0,5 до 3 ч. Начиная с первого митотического деления оплодотворенной яйцеклетки — зиготы — все дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза, содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз — это способ деления клеток, заключа­ющийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками. В результате митоза обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом.

Значение митоза- Митоз обеспечивает эмбриональное развитие, рост, восстановление органов и тканей.

У форм, размножающихся половым путем, в генеративных органах формируются гаметы, имеющие гаплоидный набор хромосом. Мейоз необходим, чтобы после оплодотворения восстановился нормальный набор хромосом.

Мейоз включает два последовательных деления. Как и в митозе выделяют четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Первое (I) мейотическое деление. Профаза начинается спирализацией хромосом. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных между собой в области центромеры. Затем гомологичные хромосомы сближаются, каждая точка каждой хроматиды одной хромосомы совмещается с соответствующей точкой хроматиды другой, гомологичной хромосомы. Этот процесс точного и тесного сближения гомологичных хромосом в мейозе называют конъюгацией

В дальнейшем между такими хромосомами может произойти обмен одинаковыми, или гомологичными, т.е. содержащими одни и те же гены участками. Такой процесс носитназвание кроссинговера. К концу профазы между гомологичными хромосомами возникают силы отталкивания.

В метафазе I спирализация хромосом максимальна. Конъюгированные хромосомы располагаются по экватору.

В анафазе I плечи гомологичных хромосом окончательно разделяются и хромосомы расходятся к различным полюсам. Число хромосом умень­шается в два раза, хромосомный набор становится гаплоидным. Однако каждая хромосома состоит из двух хроматид, т.е. по-прежнему содержит удвоенное количество ДНК, и, следовательно, формула хромосомного набора клетки после завершения первого мейотического деления 1п2с.

В телофазе I на непро­должительное время образуется ядерная оболочка. Поскольку отдельные хромосомы гаплоидных дочерних клеток остаются удвоенными, во время интерфазы между I и II делениями мейоза редупликации ДНК не происходит. Клетки, образовавшиеся в результате I деления созревания, a отличаются по составу отцовских и материнских хромосом и, следовательно, по набору генов.

Например, все клетки человека, в том числе первичные половые клетки, содержат 46 хромосом. Из них 23 получены от отца и 23 от матери. После I мейотического деления в сперматоциты и овоциты также попадает по 23 хромосомы. Однако следствие случайности расхождения отцовских и материнских хромосом в анафазе I образующиеся клетки получают самые разнообразные комбинации родительских хромосом. Мейоз — основа комбинативной генетической изменчивости.

Второе (II) мейотическое деление. Второе I деление мейоза в общем протекает так же, как обычное митотическое деление, с той лишь разницей, что делящаяся клетка гаплоидна (1n2с). С завершением телофазы II, заканчивается и весь процесс мейоза: из исходной первичной половой клетки образовались четыре гаплоидные клетки с хромосомным набором 1n1c.

Таким образом, сущность периода созревания состоит в том, что в половых клетках путем двукратного мейотического деления, количество хромосом уменьшается вдвое, а количество ДНК — вчетверо. Биологический смысл второго мейотического деления I заключается в том, что количество ДНК приводится в соответствие хромосомному набору.

У особей мужского пола все четыре гаплоидные клетки преобразуются в гаметы — сперматозоиды. У особей женского пола вследствие неравномерного мейоза лишь из одной клетки получается жизнеспособное яйцо - направительные телеца.

26.Понятие об экспрессивности и пенетрантности генов.

Термины «пенетрантность» и «экспрессивность» были предложены Тимофеевым-Ресовским в 1927 г.

Экспрессивностью - степень выраженности определенного признака. В отличие от пенетрантности, которая указывает, у какой доли особей в популяции проявляется данный признак, экспрессивность относится к изменчивости признака у тех особей, у которых он проявляется. Внеш­няя среда и гены-модификаторы могут изменить экспрессию гена, т. е. выражение признака. Это частое явление. У потомства дрозофилы — мутантных «безглазых» мух с сильно редуцированным количеством фасеток — содержание их варьирует от почти полного отсутствия до половины нормы. Экспрессивность (англ. expressivity) — степень фенотипического проявления гена, как мера силы его действия, определяемая по степени развития признака. Экспрессивность у обоих полов может быть одинаковой или различной, постоянной или варьирующей, если выраженность признака при одинаковом генотипе колеблется от особи к особи. При отсутствии изменчивости признака, контролируемого данным аллелем, говорят о постоянной экспрессивности (однозначная норма реакции). Например, аллели групп крови ABO у человека практически имеют постоянную экспрессивность. Другой вид экспрессивности — изменчивая или вариабельная. В основе лежат различные причины: влияние условий внешней среды (модификации), генотипической среды (при взаимодействии генов).
Степень экспрессивности оценивается количественно с помощью статистических показателей. В случаях крайних вариантов изменения экспрессивности (полное отсутствие признака) используют дополнительную характеристику — пенетрантность. Хорея Гентингтона может служить примером неполной пенетрантности и варьирующей экспрессивности проявления доминантного гена. Возраст первого появления хореи Гентингтона разнообразен. Известно, что у некоторых носителей она так и не проявится (неполная пенетрантность), кроме того, этот ген имеет варьирующую экспрессивность, так как носители заболевают в различном возрасте. Так, у собак экспрессивность развития прибылых пальцев варьирует от полностью развитых пальцев на обеих задних конечностях до наличия их в зачаточном состоянии только на одной конечности. Подобная вариация экспрессивности характерна и для других наследуемых признаков, в частности и для мышиных хвостов.

Пенетрантность гена — это доля особей, у которых проявля­ется ожидаемый фенотип. При полной пенетрантности (100 %) мутантный ген проявляет свое действие у каждой особи. При неполной пенетрантности (меньше 100 %) ген проявляется фенотипически не у всех особей. Экспрессивность и пенетрант­ность гена в значительной степени зависят, по-видимому, от влияния генов-модификаторов и условий развития особей. Пенетрантность характеризуется частотой или вероятностью проявления аллеля определенного гена и определяется процентом особей популяции, у которых он фенотипически проявился. Различают полную (проявление признака у всех особей) и неполную (у части) пенетрантность. Количественно пенетрантность выражается долей особей в процентах, у которых данный аллель проявляется. Так, например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, это указывает на то, что лишь у 1/4 генотипов, несущих определенный ген, проявляется его фенотипический эффект.
В основе неполной пенетрантности лежит взаимодействие генетических и средовых причин. Знание пенетрантности определенных аллелей необходимо в медико-генетическом консультировании для определения возможного генотипа «здоровых» людей, в роду которых встречались наследственные болезни. К случаям неполной пенетрантности можно отнести проявления генов, контролирующих ограниченные полом и зависимые от пола признаки У мышей известна рецессивная мутация изогнутости хвоста, называемая "поросячий хвост". Установлено, что в скрещивании, где оба родителя имели "поросячий хвост" и, следовательно, были гомозиготными по этому признаку, рождались мыши с нормальными хвостами. При разведении таких нормальных по фенотипу мышей "в себе" у них рождались мышата, имеющие изогнутый хвост. Пенетрантность этого признака у их потомков составляла 16,7%, а у потомства родителей, имевших "поросячий хвост", — 24%. Таким образом, этот признак может быть охарактеризован как рецессивный с неполной пенетрантностью. У собак достаточно часто встречаются видоизменения хвостов в виде их укороченности, разнообразных изломов и изгибов. Известно, что наследование этих дефектов носит достаточно сложный характер и не всегда поддается простому генетическому анализу. Учитывая закон гомологических рядов Н.И. Вавилова, можно легко допустить, что аномалии хвостов собак также являются признаком с неполной пенетрантностью.
Признаком с неполной пенетрантностью является полидактилия кошек (избыточное количество пальцев). Кошки, несущие этот ген (Pd), проявляют эту аномалию меньше, чем в половине случаев. В достаточно большой популяции и для достаточной частоты гена в ней пенетрантность может быть выражена в процентах. Так, как указывает И. Шустрова (1997), ген белого окраса кошек W оказывается полностью пенетрантным в отношении окраса (100%) и не полностью пенетрантным в отношении сопутствующих белому окрасу голубог-лазости (около 70%) и глухоты (около 40%).

27.Эпигенетическая изменчивость. Значение этих форм изменчивости в эволюции и селекции.

Эпигенетическим наследованием называют наследуемые изменения в фенотипе или экспрессии генов, вызываемые механизмами, отличными от изменения последовательности ДНК (эпи – дополнение). Такие изменения могут оставаться видимыми в течение нескольких клеточных поколений или даже нескольких поколений живых существ. Пример: процесс дифференцировки клеток. В течение морфогенеза тотипотентные стволовые клетки становятся плюрипотентными линиями клеток, которые в тканях эмбриона затем превращаются в полностью дифференцированные клетки. Единственная клетка — зигота — оплодотворенная яйцеклетка дифференцируется в различные типы клеток: нейроны, мышечные клетки, эпителиальные клетки, клетки кровеносных сосудов и многие другие. В процессе дифференцировки активируются одни гены и инактивируются другие.

Механизмы эпигенетического наследования:

метилирование ДНК;

ремоделирование хроматина;

РНК-интерференция (на уровне РНК);

прионизация белков;

инактивация X-хромосомы.

Ремоделирование хроматина может инициироваться посттрансляционной модификацией аминокислот гистонов, например, их метилированием и химической модификацией азотистых оснований, например, метилированием цитозина.

Посттранскрипционная регуляция

Иногда результат транскрипции гена напрямую или косвенно регулирует активность того же гена. Например, факторы транскрипции Hnf4 и MyoD усиливают экспрессию многих генов в печени и мышцах. Другие эпигенетические изменения регулируются при экспрессии разных сплайсосомных вариантов мРНК или при формировании двуцепочечных молекул РНК (RNAi). Эти гены зачастую включаются и выключаются с помощью сигнальных систем клетки, но иногда в синцитии РНК передаётся между клетками путём диффузии.

В настоящее время не подлежит сомнению важная роль эпигенетической наследственной изменчивости в таких фундаментальных общебиологических проблемах, как индивидуальное развитие организмов, механизмы экспрессии генов, возникновение рака и эволюция.

Под эффектом положения понимают изменение фенотипического эффекта гена в зависимости от расположения соседних с ним генов. Под парамутацией понимают такое взаимодейстие аллельных генов, находящихся в гетерозиготном состоянии, которое приводит к наследуемому изменению экспрессии одного из аллелей. Бринк наблюдал наследуемое уменьшение активности отдельных r аллелей у кукурузы под влиянием других r аллелей, контролирующих образование пигмента антоциана. В результате активных исследований последних лет установлено, что уменьшенная транскрипция генов является наследственным состоянием, но она может переключаться на более высокий уровень, и этот эффект зависит от гена, наличия других аллелей и генетического окружения. Предполагается, что парамутация также связана с наследственными изменениями структуры хроматина, проявляющимися через дистантные цис- и транс- взаимодействия генов. Под трансвекцией понимают такое взаимодействие гомологичных генов, при котором один ген оказывает прямое влияние на функцию другого путем спаривания гомологов. Несмотря на то, что этот феномен часто рассматривается как аллельный процесс транскрибируемых генов, он может быть применим как к неаллельным взаимодействиям, так и к локусам, функции которых не связаны с транскрипцией. изменение экспрессии генов может быть связано с эпигенетическими событиями, протекающими не только в клеточном ядре, но и в цитоплазме. Таким образом, эпигенетическую наследственность можно разделить на ядерную и внеядерную (цитоплазматическую). У растений, например, известно явление косупрессии, или посттранскрипционное выключение гена, связанное с посттранскрипционной цитоплазматической модификацией двуспиральной РНК (dsRNA) [8]. Двуспиральная РНК с помощью пока еще не ясного биологического превращения распадается на короткие кусочки - интерферирующую РНК (siRNA), которая запускает деградацию соответствующей матричной РНК. Процесс такой специфической деградации определенных последовательностей информационной РНК, инициированный двуспиральными молекулами РНК, гомологичными к выключаемому гену, и приводящий к выключению его экспрессии, получил название «РНК-интерференции» (RNAi). Она была найдена не только у растений, но и у других организмов, в частности у простейших, грибов и круглых червей – нематод.

В основе эпигенетической «маркировки» отдельных участков генома и явления геномного импринтинга в частности лежат специфические структурно-молекулярные изменения отдельных участков хромосом, происходящие во время формирования мужских и женских половых клеток, которые приводят к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов у потомства. Основную роль в этом процессе отводят специфическому для особей разного пола метилированию цитозиновых оснований в CpG-динуклеотидах ДНК, которое устанавливается во время гаметогенеза и выключает транскрипцию генов. Специфические для родителей эпигенетические отпечатки, подавляющие транскрипцию генов, стираются в примордиальных половых клетках плода и вновь устанавливаются в зрелых половых клетках потомка в соответствии с его полом, обеспечивая дифференциальную экспрессию отцовских или материнских генов в следующем поколении.

Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК у млекопитающих осуществляется с помощью 4 ДНК-метилтрансфераз (Dnmts) -Dnmtl, Dnmt2, Dnmt3A и Dnmt3B. Dnmtl поддерживает специфический рисунок метилирования в митотически размножающихся клетках. После репликации две полуметилированные дочерние молекулы ДНК распознаются этим ферментом и конвертируются в полностью метилированные. Установлено, что клональные популяции гистологически однородных клеток могут не иметь однородный характер метилирования, и поэтому не исключено, что неточность соматической эпигенетической маркировки отдельных генетически идентичных клеток может лежать в основе их фенотипического разнообразия и, возможно, достаточно ярко выраженной внутривидовой морфофизиологической вариабельности. Более того, существует предположение, что нарушение эпигенетической регуляции генов может определять развитие комплексных (мультифакториальных) заболеваний, причем именно эта причина лучше объясняет особенности их возникновения, чем вариации в последовательностях ДНК, включая однонуклеотидные замены оснований. Поддержка нужного статуса метилирования генома является непременным условием нормального развития у мышей, а аберрантное метилирование связано с возникновением опухолей и аномалий развития у человека. Эмбрионы мышей с направленными гомозиготными мутациями гена Dnmtl плохо развивались и погибали в середине беременности. Dnmt2 необходима для эпигенетического контроля функции центромер, a DnmtSA и 3В - для метилирования de novo ДНК в ходе эмбриогенеза.

В последние годы стало ясно, что механизм компактизации-декомпактизации хроматина напрямую связан с репрессией-дерепрессией локализованных в нем генов, и установлен особый класс заболеваний человека, обусловленный дефектами структуры и модификации хроматина - так называемые «хроматиновые болезни». Показано, что к метилированной ДНК присоединяются белки, распознающие метилированные основания благодаря наличию в них особых метил-СрО-связывающихся доменов. Известны 4 вида таких белков - МеСР2, MBD1, MBD2 и MBD3. В частности, белок МеСР2 содержит домен, репрессирующий транскрипцию, который ассоциирует с корепрессорным комплексом, содержащим репрессор транскрипции (mSin3 А) и деацетилазу гистонов (HDAC1). Деацетилирование гистонов, в частности Н4, является важным компонентом механизма репрессии. Оно ремоделирует структуру хроматина, повышая степень его компактизации, что приводит к репрессии транскрипции. Ацетилирование гистонов, наоборот, снимает репрессию. В 1999 г. появилось сообщение о том, что мутации в Х-сцепленном гене МеСР2 ответственны за синдром Ретта. Это тяжелое неврологическое заболевание детского возраста, проявляющееся преимущественно у девочек регрессией развития, деменцией, аутизмом и стереотипными движениями рук, было описано А. Реттом в 1966 г. Предполагается возможная связь других заболеваний человека с мутациями генов, кодирующих ферменты и белки, участвующие в ремоделировании структуры хроматина.

Date: 2015-09-24; view: 2066; Нарушение авторских прав