Уровни организации наследственного материала

Наследственность человека определяется генетической информацией, заложенной в нуклеиновых кислотах, главным образом, в ДНК. Известны 3 уровня организации наследственного материала: молекулярный, хроматиновый (хромосомный) и популяционный.

1-й уровень - молекулярный. Нативная структура ДНК представлена в виде двойной спирали, описанной впервые Уотсоном и Криком в 1953 г. Н.К.Кольцов задолго до этого открытия выдвинул предположение о наличии «наследственных молекул», однако эту роль он ошибочно отводил белку, а не ДНК.

Молекула ДНК - это линейный биополимер, представленный двумя закрученными в правую спираль полинуклеотитидными цепочками, в которых каждый нуклеотид состоит из: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Связь нуклеотидов в цепях осуществляется посредством сахарофосфатных мостов. Комплементарные азотистые основания соединяются с соответствующим основанием противоположной цепи посредством водородных связей, образуя пары А-Т (аденин - тимин) и Г-Ц (гуанин - цитозин), причем аденин и гуанин относятся к пуриновым, а тимин и цитозин – к пиримидиновым основаниям.

Схема

Информация в молекуле ДНК закодирована в виде генетического кода. Иными словами, генетический код - это условная запись информации в виде триплетов, в которых три соседних нуклеотида (кодон) определяют включение в белок одной аминокислоты. Комплементарные кодонам триплеты называются антикодонами.

Схема

Рассмотрим свойства генетического кода:

1) триплетность - т.е. генетический код является триплетным, а гены состоят из триплетов, расположенных один за другим и выполняющих функцию кодирования аминокислот;

2) неперекрываемость - т.е. один нуклеотид не может принадлежать одновременно двум триплетам.

3) специфичность - т.е. один триплет определяет включение в полипептидную цепь только одной аминокислоты (исключение - триплет САС, находясь в начале гена детерминирует включение метионина, а в стартовой точке - валина);

4) вырожденность – это свойство определяет возможность кодирования одной и той же аминокислоты разными триплетами: 20 аминокислот известно, в тоже время существует 64 варианта триплетов (в том числе 3 триплета – УАА, УАГ и УГА – не кодируют аминокислот, а являются так называемыми "стоп-сигналами" или кодонами, прекращающими синтез полипептидной цепи на рибосомах; САС, находясь в начале гена, является инициаторным триплетом);

5) универсальность - т.е. принцип генетического кода у большинства биологических видов на Земле один и тот же (за исключением некоторых бактерий, вирусов; 5 триплетов при экспрессии генов митохондриальной ДНК имеют иной, чем обычно смысл). Кроме того, оказалось, что для всех перечисленных правил существуют различные исключения.

Функционирование и сохранность генетического материала в ряду поколений обеспечивается работой многочисленных ферментов. К основным генетическим процессам в клетке относятся: репликация (удвоение) ДНК, транскрипция (считывание), процессинг и трансляция (передача) генетической информации, биосинтез белка, рекомбинация генов и репарация ДНК.

Репликация обеспечивает идентичность генетической информации в ряду поколений и, с другой стороны, дает возможность передачи измененного наследственного материала потомству. Репликация ДНК происходит в интерфазе митоза и мейоза.

Тонкая структура гена (экзонно-интронная теория ).

Ген - это структурная, функционально неделимая единица наследственной информации, участок молекулы ДНК, кодирующий синтез какой-либо макромолекулы (и-РНК, р-РНК, т-РНК, белок, гликоген, гликопептид и т.д.). Согласно экзонно-интронной модели организации генетического материала, ген представляет собой определенный участок ДНК, имеющий слева 5~ - конец (начало гена) и справа 3~- конец (конец гена), между которыми расположены экзоны и интроны.

СХЕМА: тонкая структура гена.

При исследовании ДНК перед транскрибируемыми участками были обнаружены нетранскрибируемые, которые были названы "промоторы", т.е. инициаторы транскрипции (связывают РНК-полимеразу). Установлено, что мутации в области промоторов могут резко снизить способность гена к экспрессии. Кроме того, выделены генные последовательности, усиливающие (энхансеры) и замедляющие (силансеры) ход транскрипции. В конце гена расположены последовательности – участок терминации транскрипции («стоп»-сигнал)

В конце 70-х гг. установлено, что внутри гена имеются чередующиеся кодирующие или смысловые (экзоны) и некодирующие (интроны) последовательности.

Имеются данные о том, что мутации в интронах, вплоть до их полной делеции, могут никак не сказываться на функции гена. Наряду с этим, известно, что интроны могут выполнять особую функциональную роль: они могут содержать специальные гены. Таким образом, роль интронных последовательностей еще предстоит изучить. Пример:

ген VIII фактора свертываемости крови человека (187 тыс. п.н.), дефекты в котором приводят к гемофилии "А". В самом большом интроне гена (39 т.п.н.) присутствуют последовательности встроенного в интрон гена. Транскрипция идет с ДНК оппозитной той, что несет интрон.

Самый короткий ген - ген бетта-глобина - 1100 п.н., 3 экзона (90, 222, 126 п.н.) и 2 интрона (116, 646 п.н.). Ген фермента фенилаланин-4-гидроксилазы, мутации в котором приводят к развитию фенилкетонурии, относится к средним генам - 90 - 125 тыс. п.н., 13 экзонов и 12 интронов, причем доля интронов достигает 90%. Один из самых протяженных генов - ген дистрофина: 2 млн. 300 тыс. п.н., около 85 экзонов.

Для систематизации информации о генах созданы компьютерные банки: Genebank, база данных MIM.

Кроме ядерной ДНК у человека имеется митохондриальная, содержащая 2 гена, кодирующих р-РНК, 22 гена – т-РНК и 13 белок-кодирующих генов, несущих информацию о некоторых субъединицах тканевого окисления. Протяженность ДНК митохондрий около 16,5 тыс.пар нуклеотидов.

Гены, имеющие сходную структуру и функции, были объединены в генные семейства. Существуют миозиновые, тубулиновые, миелиновые и другие семейства генов (более 100), а некоторые включают десятки групп родственных генов (суперсемейство цитохромов). ПРИМЕРЫ

При изучении генных семейств в них были выявлены так называемые «молчащие» гены, т.е. гены, для которых не были обнаружены продукты их экспрессии, что объясняется различными изменениями структуры таких генов (нонсенс-мутации, изменения на границе экзонов и интронов, отсутствие промоторных областей и др.). Они были названы псевдогенами. Вопросы об их назначении и происхождении остаются открытыми, однако при некоторых наследственных заболеваниях выявлены мутации в псевдогенах.

Рассмотрим этапы генной экспрессии:

1 этап: транскрипция, т.е. переписывание информации с ДНК на матричную или информационную РНК;

2 этап: процессинг, включающий в свою очередь:

- сплайсинг, т.е. процесс вырезания интронов рестриктазами и сшивание кодирующих последовательностей (экзонов);

- кээпирование и полиаденирование терминирующих последовательностей модифицированных м-РНК, по-видимому, с целью защиты их от неблагоприятного воздействия субстратов при прохождении через ядерную мембрану и при функционировании в цитоплазме;

3 этап: трансляция, т.е. перевод полинуклеотидной последовательности РНК в первичную полипептидную цепочку. Этот процесс происходит на рибосомах при участии р-РНК и т-РНК, а также полимераз и др. ферментов;

4 этап: посттрансляционные модификации, когда окончательно формируется биологически активный субстрат.

Вся эта последовательность превращений от ДНК до конечного продукта называется экспрессией гена, и на всех этапах могут возникать "дефекты метаболизма", что приводит к патологии (болезни нарушения экспрессии гена).

На современном этапе установлено, что подавляющая часть геномной ДНК принадлежит некодирующим последовательностям, а гены занимают вряд ли более 10% всей нуклеиновой последовательности.

Рассмотрим некоторые свойства генов:

1) Дискретность действия, т.е. развитие различных признаков контролируется различными генами, локализация которых в хромосомах различна.

2) Стабильность, т.е. при отсутствии мутаций ген передается в ряду поколений в неизменном виде.

3) Специфичность действия, т.е. ген обуславливает развитие определенного признака или группы.

4) Дозированность действия, т.е. ген обуславливает развитие признака до определенного количественного предела.

5) Аллельное состояние, т.е. большинство генов существуют в виде 2-х и более альтернативных вариантов аллелей, которые локализованы в определенном локусе хромосомы. Если аллели идентичны по своему содержанию, то говорят о гомозиготном состоянии, если различны – о гетерозиготном.

Рассмотрим некоторые понятия, необходимые для понимания генетических закономерностей в медицине:

1) Геном - это количество ДНК или сумма нуклеотидных последовательностей, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом данного вида (у человека геном содержит 3,5+10 в 9-й степени п.н.; масса ДНК - 7,3*10 в минус 12-й степени грамма);

2) Генотип - это совокупность генов организма, имеющая свое фенотипическое проявление. На основании результатов исследований у человека имеется около 20 тыс. генов. Для сравнения: кишечная палочка - 4 тыс., дрожжи - 7 тыс., дрозофила и плоские черви примерно - 24 тыс.

3) Признак - это фенотипическое проявление гена или единица какой-либо дискретности (биохимической, физиологической, морфологической и др.), по которой один организм можно отличить от другого (Пр. группа крови, количество лейкоцитов ит.д.).

4) Фенотип – это совокупность признаков организма, обусловленных генотипом.

5) Экспрессивность - степень фенотипической выраженности (проявления) генетически детерминируемого признака. Пример: невральная амиотрофия Шарко-Мари-Тута (НАШМТ) может проявляться клинически только снижением периостально-сухожильных рефлексов в дистальных отделах конечностей, но в тяжелых случаях – имеют место выраженные атрофии мышц конечностей с инвалидизацией на втором десятилетии жизни; т.е. в данном случае экспрессивность широко варьирует.

6) Пенетрантность - частота проявления фенотипа (признака или болезни), детерминируемого доминантным аллелем или рецессивным аллелем (в гомозиготном состоянии). Вероятность проявления признака среди носителей нормального или аномального гена. Пенетрантность вычисляется в %. Она может быть полной (100%), высокой, что типично для моногенной патологии.

Понятия экспрессивности и пенетрантности введены в 1926 г. Н.В.Тимофеевым-Рессовским и Фогтом для описания варьирующего проявления генов.

7) Фенокопия - состояние фенотипически сходное с проявлениями наследственной патологии, но не имеющие генетического дефекта, т.е. формирующиеся под воздействием внешней среды.

8) Генокопии - состояния организмов имеющие фенотипическое сходство, но детерминируемые мутациями разных генов, либо различными внутригенными перестройками. Пример: прогрессирующая мышечная дистрофия Беккера и миодистрофия Эрба-Рота могут быть очень похожи фенотипически, но этиологически обусловлены различными генными мутациями.

9) Генетическая гетерогенность (синоним термина «генокопия») характеризует фенотипически сходное патологическое состояние организма, в основе которого заложены различные генетические мутации. Пример: среди форм наследственных мото-сенсорных невропатий различают АД, Х-сц. и АР формы, более 5 типов, в каждом из которых выделено по нескольку подтипов. Явление генетической гетерогенности очень типично для моногенной патологии.

10) Клинический полиморфизм. Болезнь любой этиологии проявляется неодинаково у разных индивидов. В ряде случаев клиническая картина одного и того же заболевания варьирует от стертых форм до тяжелейших проявлений. Клинический полиморфизм генных болезней проявляется в разных сроках начала заболевания у индивидов, полноте и тяжести симптоматики, продолжительности болезни, степени инвалидизации, толерантности к терапии, в сроках сокращения продолжительности жизни и др..

На широту клинических проявлений патологического признака влияют многие как внешнесредовые, так и разнообразные генетические особенности.

11) Аберрация - отклонение в строении или функции от нормы.

12) Аллели - различные состояния гена, занимающие в гомологичных хромосомах идентичные участки и определяющие общность биохимических процессов развития какого-либо признака.

13) Анеуплоидия – хромосомная мутация, затрагивающая количественный состав хромосом в паре гомологов.

14) Антиципация – более тяжелое проявление признака при передаче в ряду поколений. Например, при передачи мутантного гена, ответственного за фенотип хореи Гентингтона, от пораженных отцов, в потомстве патология проявляется более рано и тяжело, что обусловлено экспансией (накоплением) тринуклеотидных CAG - повторов в начале гена.

15) Гетерозиготность - различие по строению аллелей гена; гомозиготность – идентичность аллелей гена.

16) Кариотип – совокупность структурных характеристик диплоидного хромосомного набора биологического вида.

17) Локус – локализация молекулярно-биологического маркера в определенном районе ДНК.

18) Маркер – секвенированный (расшифрованный) высокополиморфный участок ДНК.

19) Мозаицизм – сочетание в кариотипе нормального и аномального хромосомных наборов.

20) «Эффект положения» - изменение функциональной активности гена при смене его расположения в хромосомах, в следствии различных перестроек генетического материала.

21) Рекомбинация – перераспределение генетического материала

22) Сегрегация – распространение признака в ряду поколений.

23) Скрининг – массовое исследование (биохимическое и др.) в популяции.

24) Механизмы взаимодействия аллельных и неаллельных генов.

а) Механизмы взаимодействия аллельных генов.

1. Доминирование. Если функциональное состояние одного аллельного гена не зависит от другого, то это доминантный ген. Признак, контролируемый таким геном, проявляется полностью.

2. Неполное доминирование. При взаимодействии рецессивного и доминантного генов наблюдается промежуточное проявление признака.

3. Кодоминирование. Если гены активны в одинаковой мере, то это кодоминантные гены.

б) Гены, расположенные в разных локусах, называются неаллельными. Различают следующие механизмы их взаимодействия:

1. Комплементарность. Это такое состояние, когда при взаимодействии двух неаллельных доминантных генов возникает новый признак (нередко патологический). Например формирование патологического фенотипа при ретинобластоме или нефробластоме.

2. Эпистаз или подавление одного гена другим. Эпистаз может быть доминантным и рецессивным: в первом случае отмечается подавление одного доминантного гена другим, а во втором – супрессором выступает рецессивный ген по отношению к доминантному.

3. При взаимодействии генов из разных аллельных пар проявление признака чаще всего зависит от числа доминантных аллелей разных генов в генотипе организма. Это явление было названо полимерией.

4. Следующий механизм взаимодействия генов называется эффектом положения (1928 г.). Его смысл заключается в изменении действия доминантного гена (усилении или, чаще, ослаблении) при перемещении гена в другое место.

5. Плейотропный эффект гена объясняется формированием нескольких признаков, детерминируемых одним геном.

25) Законы Менделя. Главные моменты законов были отражены ученым в 1866г. в работе «Опыты над растительными гибридами» на основе изучения 22 чистых линий садового гороха по семи парам признаков.

1-й - закон доминирования или единообразия признака у гибридов первого поколения;

2-й - закон расщепления признаков во втором поколении или закон "чистоты" гамет;

3-й - закон независимого наследования неаллельных генов. Закон не действует при сцепленном состоянии генов.

Дата добавления: 2014-01-11