Геномный уровень организации

Вопрос 1. 

Решающим поворотом  в генетике было открытие в 1944 г. трансформирующей функции ДНК.

Ф. Гриффитс вводил суспензию данных микроорганизмов  белым мышам в различных комбинациях. Животные, зараженные вирулентным штаммом S, погибали. При введении бескапсульных бактерий (R) и клеток S-штамма, убитых нагреванием, мыши выживали. Казалось бы, полученные результаты были закономерны, а их причины - очевидны. Но совершенно обескураживающие результаты были получены у последней группы белых мышей. Этим животным вводили суспензию, содержащую живые клетки бескапсульного штамма и убитые вирулентные бактерии. Через некоторое время у мышей обнаруживались клинические признаки пневмококковой инфекции и животные погибали. Проведенный бактериологический анализ показал, что в тканях погибших мышей содержатся клетки пневмококка, окруженные капсулой. Следовательно, невирулентный бескапсульный штамм пневмококков под воздействием убитых бактерий S-штамма получал новый признак - капсулу - и приобретал вирулентные свойства. Такое явление Гриффитс назвал трансформацией.

Однако природу  трансформирующего агента в то время  установить не удалось. Было известно, что это вещество небелкового  происхождения, т. к. все белки при  нагревании подвергались денатурации.

Явление трансформации  наблюдалось также и в пробирке (in vitro), где смешивали живые клетки бескапсульного и мертвые бактерии вирулентного штаммов Diplococcus pneumoniаe. Через определенное время часть бескапсульных бактерий приобрели капсулу и вирулентность. Эксперименты in vitro полностью исключали участие в феномене трансформации каких-либо систем макроорганизмов.

Задача О. Эвери  с сотрудниками состояла в том, чтобы  выяснить, какое именно вещество способствует трансформации. Методика определения  была выбрана относительно простая. Лизированные клетки капсульного штамма разделялись на различные химические составляющие. Каждый компонент испытывался на наличие трансформирующих свойств. Путем такого отбора удалось получить вещество, обладающее высокой трансформирующей активностью. Это была дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК.

Более наглядно роль ДНК в передаче наследственной информации была установлена в 1952 г. американскими вирусологами А. Д. Херши  и М. Чейзом при изучении разложения фага Т2 (вируса бактерий). Опыт состоял  в том, что белки, входящие в протеиновую оболочку вириона, были помечены радиоизотопной меткой - S 35 (сера), а ДНК - радиоактивным фосфором - Р32. В дальнейшем вирус культивировался в клетках бактерий. После этого дочерние вирионы - потомство фага - подвергались радиометрическому анализу на распределение радиоактивных меток. Исследования показали, что новое поколение фаговых частиц содержало только фосфор - Р32. Исследователи сделали справедливый вывод о том, что именно ДНК, а не белок передается от родителей к потомству.

О роли ДНК в  передаче наследственной информации свидетельствует  также открытие в 1952 г. Зайндером  и Ледербергом явления трансдукции, заключающееся в переносе генетического  материала фагами от одних бактерий к другим. Ученые при этом показали, что в процессе трансдукции активное участие принимает ДНК (Лехов А. П., 1973).

Кроме прямых доказательств  об участии ДНК в процессах  наследования признаков, наукой был  накоплен обширный фактический материал, косвенно подтверждающий высказанные  ранее предположения. В частности, об этом говорят данные относительно возникновения вызываемых химическими веществами и радиацией генетических изменений - мутаций.

Несколько позже  было показано, что мишенью для  действия мутагенов является ДНК. Следовательно, изменение в структуре ДНК способствовало изменению генетической информации.

Открытия, сделанные  в конце 40 - начале 50 гг. ХХ в. в области  молекулярной генетики, предопределили современное направление исследований не только в изучении наследственности, но и биологии в целом. Важнейшее значение открытия явлений трансформации и трансдукции, а также расшифровки действия мутационных факторов заключается прежде всего в доказательстве генетической роли ДНК. Теперь генетики могли с уверенностью констатировать: ДНК является материальным носителем наследственности. Именно эта молекула ответственна за передачу важнейших признаков от родительских особей потомству. 

Вопрос  №2. 

Нуклеи́новые  кисло́ты (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярные органические соединения, биополимеры (полинуклеотиды), образованные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации. 

Химические свойства

Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически не растворимы в органических растворителях. Очень чувствительны к действию температуры и критических значений уровня pH. Молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием механических сил, например при перемешивании раствора. Нуклеиновые кислоты фрагментируются ферментами — нуклеазами. 

Строение 

Полимерные формы  нуклеиновых кислот называют полинуклеотидами. Цепочки из нуклеотидов соединяются через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). Поскольку в нуклеотидах существует только два типа гетероциклических молекул, рибоза и дезоксирибоза, то и имеется лишь два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). 

Мономерные формы  также встречаются в клетках  и играют важную роль в процессах  передачи сигналов или запасании  энергии. Наиболее известный мономер  РНК — АТФ, аденозинтрифосфорная кислота, важнейший аккумулятор  энергии в клетке. 

Вопрос  №3. 

В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть - в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. Так же, как и у прокариот, информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. ДНК-белковые комплексы эукариот получили название хроматина . На протяжении клеточного цикла хроматин претерпевает высокоупорядоченные структурные преобразования в виде последовательных конденсаций-деконденсаций. В соматических клетках при максимальной конденсации в метафазе митоза эти преобразования сопровождаются формированием метафазных хромосом . Морфология и число метафазных хромосом являются уникальными характеристиками вида.  

Совокупность  внешних признаков хромосомного набора эукариот получила название кариотипа . Эти признаки используются в систематике.  

Содержание ДНК  у эукариот в расчете на одну клетку в среднем на два-три порядка выше, чем у прокариот, и у разных видов животных изменяется от 168 пг (амфибии) до 1 пг (некоторые виды рыб). У человека имеется около 6 пг ДНК на диплоидный геном, суммарная длина которой приближается к 6*109 п.о. ( табл. I.1 ). Повышенное содержание ДНК в геноме эукариот нельзя объяснить одним лишь увеличением потребности этих организмов в дополнительной генетической информации в связи с усложнением организации, поскольку большая часть их геномной ДНК, как правило, представлена некодирующими последовательностями нуклеотидов. Размер генома организмов, находящихся на более низких ступенях эволюционного развития, зачастую превышает размеры геномов более высокоорганизованных животных и растений. Известно, что большая часть ДНК генома эукариот не кодирует РНК и белки, и ее генетические функции не вполне понятны. 

Вопрос  №4. 

Генети́ческий код — свойственный всем живым  организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. 

В ДНК используется четыре нуклеотида — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

 

Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок  представляет собой цепочку или  несколько цепочек аминокислот  в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов. 

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза иРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом.  

Свойства  генетического кода 

Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)[1]

Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).

Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными. 
 

Вопрос  №5. 

Ген — структурная  и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного  признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения. 

В настоящее  время, в молекулярной биологии установлено, что гены — это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка  или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма. 

Свойства 

дискретность — несмешиваемость генов;

стабильность — способность сохранять структуру;

лабильность — способность многократно мутировать;

множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;

аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;

специфичность — каждый ген кодирует свой признак;

плейотропия — множественный эффект гена;

экспрессивность — степень выраженности гена в признаке;

пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе;

амплификация  — увеличение количества копий гена. 

Классификация 

Структурные гены — уникальные компоненты генома, представляющие единственную последовательность, кодирующую определенный белок или некоторые виды РНК. (См. также статью гены домашнего хозяйства).

Функциональные  гены — регулируют работу структурных генов 

Вопрос  №6. 

МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЫ - «прыгающие» гены, структурно и генетически дискретные фрагменты ДНК, способные перемещаться по геному клеток. Впервые предсказаны Б. Мак-Клинток в конце 40-х гг. 20 в. на основе генетич. экспериментов на кукурузе. Интенсивное изучение М. г. у прокариот началось с конца 60-х гг. У бактерий были обнаружены 2 осн. класса М. г., различающиеся по длине и сложности организации; инсерционные последовательности, или IS-элементы (от англ. insertion sequences), имеющие длину ок. 1000 пар нуклеотидов и содержащие только ген, ответственный за их перемещение, и транспозоны (дл. 3000—20 000 пар нуклеотидов), состоящие из ряда дополнит, генов, ответственных за устойчивость бактерий к разл. токсич. соединениям. В 70-х гг. были выделены и изучены на мол. уровне М. г. дрозофилы, а затем было показано, что они широко распространены у эукариот, составляя не менее 5—10% их генетич. материала. М.г. эукариот рассеяны по хромосомам и обычно имеют длину неск. тысяч пар нуклеотидов. Нек-рые из них по структурной организации напоминают интегрированные в хромосомы геномы ретровирусов позвоночных (возможно, они находятся с ними в эволюционном родстве). Механизм перемещения фрагментов ДНК по геному до конца не выяснен. Считается, что М. г. кодируют белки, ответственные за их перемещение и репликацию. М. г. вызывают множество наследств, изменений в клетках, являясь причиной инсерционного мутагенеза. Встраиваясь в разл. участки хромосом, они инактивируют или усиливают экспрессию клеточных генов, вызывают разл. хромосомные перестройки, т. е. вносят в геном факторы нестабильности и изменчивости, что, возмолс-до, определяет их важную роль в эволюции.