Вопрос 63. Основы молекулярной генетики. Структура гена. Коллинеарность
/. Ген — часть хромосомы
2. Цистрон, его структура
3. Различия между функциями генов. Опероны
4. Явление коллинеарности
1. Изучение химической структуры ДНК и генетических функций позволяет рассматривать гены как участки нуклеиновой кислоты, характеризующиеся определенной специфической последовательностью нуклеотидов. Расшифровка материальной сущности гена — одно из важных достижений современной биологической науки.
Первоначально считалось, что гены представляют собой часть хромосомы и являются неделимой единицей, обладающей рядом свойств:
• способностью определять признаки организма;
• способностью к рекомбинации, т. е. перемещению из одной гомологической хромосомы в другую при кроссинговере;
• способностью мутировать, давая новые аллельные гены.
В дальнейшем оказалось, что ген представляет собой сложную систему, в которой указанные способности не всегда бывают нераздельными.
Первые представления о сложной структуре гена возникли еще в 20-х гг. XX столетия. Советские генетики А. С. Серебровский и Н.П. Дубинин выдвинули предположение, что ген состоит из отдельных "ступенек". В настоящее время это блестяще подтвердилось новыми исследованиями. Ген представляет собой часть молекулы ДНК и состоит из сотен пар нуклеотидов.
2. Ген как функциональную единицу предложено называть цис-троном, который определяет последовательность аминокислот в каждом специфическом белке. Цистрон подразделяется на предельно малые в линейном измерении единицы - реконы, способные к рекомбинации при кроссинговере.
Выделяют, кроме того, мутоны — наименьшие части гена, способные к изменению (мутированию). Размеры рекона и мутона могут равняться одной или нескольким парам нуклеотидов, цистрона - сотням и тысячам нуклеотидов.
3. Оказалось, что разные функции гена связаны с отрезками цепи ДНК различной величины. Ген имеет сложную структуру, внутри которой могут осуществляться процессы мутирования и рекомбинации. Обнаружены также гены, которые не контролируют синтеза белков, но регулируют этот процесс. Таким образом, возникла необходимость разделить гены на две категории:
• структурные;
- функциональные.
Структурные гены определяют последовательность аминокислот в полипептидной цепи. У тех бактерий, у которых они изучены, структурные гены, как правило, располагаются в хромосоме в последовательности, соответствующей кодируемым реакциям.
Функциональные гены, по-видимому, не образуют специфических продуктов, которые можно обнаружить в цитоплазме. Эти гены контролируют функцию других генов. Один из функциональных генов получил название гена-оператора. Ген-оператор и ряд структурных генов, расположенных рядом в линейной последовательности, составляют оперон — единицу считывания генетической информации, т. е. с каждого оперона снимается своя молекула информационной РНК. Функция гена-оператора регулируется геном-регулятором. Он кодирует синтез белка-репрессора. Наличие или отсутствие этого белка,
присоединяющегося к гену-оператору, определяет начало или прекращение считывания информации.
4. Коллинеарность — свойство, обусловливающее соответствие между последовательностью кодонов нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. Иными словами, коллинеарность - свойство, благодаря которому в белке воспроизводится та же последовательность аминокислот, в какой соответствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что положение каждой аминокислоты в полипептидной цепи зависит от особого участка гена.
Генетический код считается коллинеарным, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им аминокислоты в белке расположены в одинаковом линейном порядке.
Явление коллинеарности доказано экспериментально. Серповидно клеточная анемия, при которой нарушено строение молекулы гемоглобина, обусловлена дефектами расположения нуклеотидов в гене, ответственном за синтез гемоглобина. Было установлено расстояние между аминокислотами, зависимыми от этих мутаций, и расположение мутонов на генетической карте гена триптофансинтетазы, совпадающее с расположением аминокислот в этом ферменте. Аминокислоты заменялись в соответствии с изменением нуклеотидного состава соответствующих триплетов.
Гипотеза о том, что последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене, была высказана Г.А. Гамовым. Данные о коллинеарности полипептидов подтвердили ее. Благодаря концепции коллинеарности можно:
• определить примерный порядок нуклеотидов внутри гена и информационной РНК, если известен состав полипептидов;
• предсказать аминокислотный состав белка, определив состав нуклеотидов ДНК;
• сделать вывод, что изменение порядка нуклеотидов внутри гена (мутация) приводит к изменению аминокислотного состава белков.
Вопрос 64. Репарация
1. Световая репарация
2. Темновая репарация
1. Под действием различных физических и химических агентов и даже при нормальном биосинтезе в ДНК могут возникнуть повреждения. Оказалось, что клетки обладают способностью самостоятельно исправлять повреждения в молекуле ДНК. Этот феномен получил название репарации. Первоначально способность к репарации была обнаружена у бактерий, подвергавшихся воздействию ультрафиолетового излучения. В результате облучения целостность молекул ДНК нарушалась, так как в ней возникали димеры, т. е. сцепленные между собой соединения в области оснований. Димеры образуются:
• между двумя тиминами;
• тимином и цитозином;
• двумя цитозинами;
• тимином и урацилом;
• двумя урацилами.
Облученные клетки на свету выживали гораздо лучше, чем в темноте. После тщательного анализа причин было установлено, что в облученных клетках на свету происходит репарация. Она осуществляется специальным ферментом, активирующимся квантами видимого света. Фермент соединяется с поврежденной ДНК, разъединяет возникшие в димерах связи и восстанавливает целостность нити ДНК.
2. Позднее была обнаружена и темновая репарация, т. е. свойство клеток ликвидировать повреждения ДНК без участия видимого света. Темновая репарация осуществляется комплексом из пяти ферментов:
• узнающего химические изменения на участке цепи ДНК;
• осуществляющего вырезание поврежденного участка;
• удаляющего этот участок;
• синтезирующего новый участок по принципу комплементарно-сти взамен удаленного фрагмента;
• соединяющего концы старой цепи и восстановленного участка. При световой репарации исправляются повреждения, возникшие только под воздействием ультрафиолетовых лучей, при темновой — повреждения, появившиеся под влиянием жесткой радиации, химических веществ и других факторов. Темновая репарация обнаружена у прокариот и в клетках эукариот. У последних она изучается в культурах тканей. Вопрос о том, почему одни повреждения репарируются, а другие нет, остается открытым. Если репарация не наступает, то клетка гибнет либо наступает мутация.