Глава 1. Основные положения современной генетики. Геном человека
Таблица 1 Хронология важнейших достижений в области генетики
1865 |
Грегор Мендель |
делает доклад «Опыты над растительными гибридами» (опубликован в 1866 г.). |
1905 |
Уильям Бэтсон |
в письме к Адаму Сэджвику вводит термин генетика. |
1910 |
Томас Хант Морган |
доказывает, что гены расположены в хромосомах. |
1913 |
Альфред Стёртевант |
составляет первую генетическую карту хромосомы. |
1918 |
Рональд Фишер |
публикует работу On the correlation between relatives on the supposition of Mendelian inheritance, которая знаменует начало работ по созданию Синтетической теории эволюции. |
1927 |
|
Для обозначения изменений в генах введен термин мутация. |
1928 |
Фредерик Гриффит |
обнаруживает молекулу наследственности, которая передаётся от бактерии к бактерии. |
1941 |
Эдвард Тейтум и Джордж Бидл |
показывают, что в генах закодирована информация о структуре белков. |
1944 |
Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти |
изолируют ДНК (тогда его называли трансформирующим началом. |
1950 |
Эрвин Чаргафф |
показывает, что, хотя доля нуклеотидов в ДНК не постоянна, наблюдаются определённые закономерности (например, что количество аденина, A, равно количеству тимина, T) (Правило Чаргаффа). |
1952 |
Эксперимент Херши-Чейза |
доказывает, что генетическая информация бактериофагов (и всех других организмов) содержится в ДНК. |
1953 |
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик с помощью Розалин Франклин |
расшифровали структуру ДНК (двойная спираль).
|
1956 |
Jo Hin Tjio и Алберт Леван |
впервые верно устанавливают хромосомное число человека: 46 хромосом в диплоидном наборе. |
1961 |
|
Выяснено, что генетический код состоит из триплетов. |
1989 |
Фрэнсис Коллинс и Лап-Че Цуи |
впервые секвенирован ген человека Ген кодирует белок CFTR. Дефекты в последовательности гена приводят к развитию опухолей. |
2001 |
|
Обнародованы первые наброски полной последовательности генома человека одновременно Проектом «Геном человека» (Human Genome Project) и Celera Genomics.
|
2003 |
|
Проект «Геном человека» успешно завершён: 99 % генома секвенировано с точностью 99.99%. |
2008 |
|
Стартовал международный проект по расшифровке геномов 1000 человек. |
Таблица 2
Методы исследования в генетике
Название метода |
Сущность метода |
Гибридологический |
Производится анализ закономерностей наследования отдельных признаков и свойств организмов при половом размножении, а также анализ изменчивости генов и их комбинаторики. Метод разработан Г. Менделем. |
Цитологический |
С помощью светового и электронного микроскопов изучаются материальные основы наследственности на клеточном и субклеточном уровнях (хромосомы, ДНК). |
Цитогенетический |
Синтез гибридологического и цитологического методов обеспечивает изучение кариотипа человека, изменений в строении и количестве хромосом. |
Популяционно – статистический |
Основывается на определении частоты встречаемости различных генов в популяции, что позволяет вычислить количество гетерозиготных организмов и прогнозировать, таким образом, количество особей с патологическим (мутантным) проявлением действия гена. |
Биохимический |
Изучаются нарушения обмена веществ (белков, жиров, углеводов, минеральных веществ), возникающих в результате генных мутаций. |
Математический |
Производится количественный учет наследования признаков. |
Генеалогический |
Выражается в составлении родословных (человека, животных). Позволяет установить тип и характер наследования признаков. |
Близнецовый |
Основан на изучении близнецов с одинаковыми генотипами, что позволяет выяснить влияние среды на формирование признаков. |
Онтогенетический |
Позволяет проследить действие генов в процессе индивидуального развития; в сочетании с биохимическим методом позволяет установить присутствие рецессивных генов в гетерозиготном состоянии по фенотипу. |
Рис. 1. Строительные блоки ДНК.
Аденин Гуанин
Тимин Цитозин
Рис. 2. Структуры оснований ДНК.
Рис. 3. Нуклеотидная
последовательность гена ß-глобина.
8
Экзон
Интрон
ДНК
иРНК
Белок
Аминокислота
Транскрипция
Трансляция
Рис. 6. Путь от ДНК
к белку.
Ток генетической
информации от ДНК к РНК (транскрипция),
от РНК к белку (трансляция) происходит
во всех живых клетках.
аминокислота
транскрипция
Ген А
транскрипция
трансляция
трансляция
ДНК
РНК
РНК
Рис. 7. Пример
экспрессии генов.
Гены могут
экспрессировать с разной интенсивностью.
Скорость транскрипции и трансляции
гена А выше, чем гена В. В связи с этим
синтезируется больше белка А, чем белка
В.
Ген В
РНК
Рис. 8. Транскрипция
ДНК приводит к образованию одноцепочечной
РНК, комплиментарной цепи ДНК
ТРАНСКРИПЦИЯ
каркас
ДНК
РНК-полимераза
Активная область
Рибонуклеозид 3-фосфат
Быстрый вход рибонуклеозид 3-фосфата
Вновь синтезированный РНК
Выход РНК
Управление
транскрипцией
гибрид ДНК и РНК, соединенный с шаблонной
цепью ДНК
Рис. 9. Участие
РНК-полимеразы в управлении транскрипцией.
РНК пошагово движется вдоль ДНК,
деспирализуя двойную спираль ДНК в
активной области фермента. Полимераза
добавляет нуклеотиды, один за другим
в точке полимеризации, используя нить
ДНК как матрицу. Таким образом, транскрипт
РНК комплиментарен одной из двух нитей
ДНК. Считывание происходит блоками по
9 оснований. Энергия для этого процесса
образуется в ходе дефосфорилирования
АТФ, УТФ, ЦТФ, ГТФ.
Двойная спираль
ДНК
цитоплазма
Ядро
Интрон Экзон
ДНК
транскрипция
Трансляция
Рис. 10. Схема
реализации генетической информации у
эукариот.
мРНК эукариот
синтезируется в виде предшественника,
пре-мРНК, претерпевающего затем сложное
стадийное созревание - процессинг,
включающий присоединение кэп-структуры
к 5'-концу
молекулы, присоединение нескольких
десятков остатков аденина
к ее 3'-концу
(полиаденилирование),
выщепление незначащих участков -
интронов
и соединение друг с другом значащих
участков - экзонов
(сплайсинг).
При этом соединение экзонов одной и
той же пре-мРНК может проходить разными
способами, приводя к образованию разных
зрелых мРНК, и в конечном итоге разных
вариантов белка (альтернативный
сплайсинг). Только мРНК, успешно прошедшая
процессинг, экспортируется из ядра в
цитоплазму и вовлекается в трансляцию.
Экспорт
м-РНК
м-РНК
Процессинг
ЭУКАРИОТИЧЕСКАЯ
КЛЕТКА
Белок
кэп
белок
петля
интрон
Рис. 11. Сплайсинг
гетерогенной ядерной РНК
Таблица 3
Генетический код
Аминокислота |
Кодирующие триплеты - кодоны |
|||||
Аланин |
ГЦУ |
ГЦЦ |
ГЦА |
ГЦГ |
|
|
Аргинин |
ЦГУ |
ЦГЦ |
ЦГА |
ЦГГ |
АГА |
АГГ |
Аспарагин |
ААУ |
ААЦ |
|
|
|
|
Аспарагиновая кислота |
ГАУ |
ГАЦ |
|
|
|
|
Валин |
ГУУ |
ГУЦ |
ГУА |
ГУГ |
|
|
Гистидин |
ЦАУ |
ЦАЦ |
|
|
|
|
Глицин |
ГГУ |
ГГЦ |
ГГА |
ГГГ |
|
|
Глутамин |
|
|
ЦАА |
ЦАГ |
|
|
Глутаминовая кислота |
|
|
ГАА |
ГАГ |
|
|
Изолейцин |
АУУ |
АУЦ |
АУА |
|
|
|
Лейцин |
ЦУУ |
ЦУЦ |
ЦУА |
ЦУГ |
УУА |
УУГ |
Лизин |
|
|
ААА |
ААГ |
|
|
Метионин |
|
|
|
АУГ |
|
|
Пролин |
ЦЦУ |
ЦЦЦ |
ЦЦА |
ЦЦГ |
|
|
Серин |
УЦУ |
УЦЦ |
УЦА |
УЦГ |
АГУ |
АГЦ |
Тирозин |
УАУ |
УАЦ |
|
|
|
|
Треонин |
АЦУ |
АЦЦ |
АЦА |
АЦГ |
|
|
Триптофан |
|
|
|
УГГ |
|
|
Фенилаланин |
УУУ |
УУЦ |
|
|
|
|
Цистеин |
УГУ |
УГЦ |
|
|
|
|
Знаки препинания |
|
|
УГА |
УАГ |
УАА |
|
Таблица 4
Свойства генетического кода
Свойство генетического кода |
Характеристика свойства |
1. Код триплетен.
|
В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, т.е. триплетом, который получил название кодон. Каждая кислота шифруется более чем одним кодом (от 2 до 6). |
2. Код однозначен. |
Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту. |
3. Между генами имеются знаки препинания. |
Для разделения нескольких генов существует три специальные триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. |
4. Внутри гена нет знаков препинания. |
Рассмотрим на примере фразы, составленной из триплетов: “жил был кот тих был сер мил мне тот кот”. Смысл записанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если убрать в первом слове 1 букву (один нуклеотид в гене) и читать также тройками букв, то получится бессмыслица: “илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от”. Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого “испорченного” гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания. |
5. Код универсален. |
Код един для всех живущих на Земле существ. Одни и те же триплеты кодирует одни и те же аминокислоты. |
Таблица 5
РНК-полимеразы в эукариотических клетках.
Типы РНК-полимеразы |
Функции |
РНК-полимераза I |
Синтезирует 45S-предшественника р-РНК, превращающуюся затем в р-РНК 28S, 18S и 5,8S, которые уже образуют главные РНК-секции рибосомы. |
РНК-полимераза II |
Производят предшественников для м-РНК, а также для большинства мя-РНК и ми-РНК. Это наиболее хорошо изученный тип РНК-полимеразы. Ввиду того, что транскрипция должна происходить под строгим контролем, РНК-полимеразе II для связывания с промоторами требуется целый набор факторов транскрипции. |
РНК-полимераза III |
Синтезирует т-РНК, 5S р-РНК и другие малые РНК, присутствующее в ядре и цитозоле. |
Таблица 6