WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
Министерство образования Российской Федерации ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕСИТЕТ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗБРАННЫЕ ЛЕКЦИИ по курсу “Генетика с основами селекции” Учебное пособие Специальность 020201 – биология Воронеж 2004 2 Утверждено научно-методическим советом биолого-почвенного факультета 27 октября 2004 года, протокол №21 Авторы: Буторина А.К.

Машкина О.С.

Учебное пособие подготовлено на кафедре генетики, селекции и теории эволюции биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета Рекомендуется для студентов биолого-почвенного факультета дневной и заочной формы обучения 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ................................................ 4 Тема 1. Современное представлениео гене.................... 4 1.1. История развития представления о гене.................... 4 1.2. Типы и структура генов................................. 11 1.3. Матричная активность генов............................. 19 1.3.1. Репликация....................................... 19 1.3.1.1. Полуконсервативный способ репликации ДНК........ 20 1.3.1.2. Способы репликации ДНК у прокариот............... 21 1.3.1.3. Амплификация генов рРНК у эукариот............... 22 1.3.1.4. Механизм репликации ДНК. Репликационная вилка.... 23 1.3.1.5.Особенности репликации концевых участков линейных 24 молекул ДНК эукариот. Теломеры и теломераза........

1.3.2. Транскрипция....................................... 26 1.3.2.1. Процессинг и сплайсинг мРНК...................... 29 1.3.2.2. Альтернативный сплайсинг......................... 30 1.3.2.3. Кодирование генетической информации............... 1.3.2.4. Пути переноса генетической информации в клетке...... 1.3.2.5. Обратная транскрипция............................. 1.3.2.6. Конформационные матрицы (“белковая наследствен- ность”)...........................................

1.3.3. Трансляция.......................................... Тема 2. Регуляция действия генов.............................. 2.1. Оперонная система регуляции действия генов у прокариот...... 2.2. Каскадный тип регуляции экспрессии генов у эукариот........ 2.2.1. Регуляция активности генов на уровне транскрипции...... 2.2.2. Регуляция активности генов на уровне процессинга мРНК... 2.2.3. Регуляция активности генов на уровне трансляции......... 2.2.4. Регуляция клеточного цикла........................... Тема 3. Репарация ДНК...................................... 3.1. Фотореактивация....................................... 3.2. Эксцизионная репарация................................. 3.3. Пострепликативная репарация (ПРР)....................... 3.4. SOS-репарация........................................ 3.5. Репарация неспаренных оснований (мисмэтч-репарация)..... 3.6. Наследственные болезни человека, связанные с дефектами систем репарации ДНК...................................

Рекомендуемая литература..................................... ВВЕДЕНИЕ Развитие генетики в настоящее время осуществляется столь быстрыми темпами, что самые современные учебники по некоторым разделам становятся уже устаревшими. Это касается в основном разделов молекулярной генетики.

Поэтому, издавая данное пособие, нам хотелось бы ознакомить студентов с последними достижениями науки. В связи с этим мы использовали публикации научных журналов последних лет. Кроме того, лекционных часов по общему курсу “Генетика с основами селекции” в Воронежском государственном университете выделено вдвое меньше, чем, например, их отводится в Московском, Санкт-Петербургском и Новосибирском университетах. Это затрудняет более полное изложение материала лектором, перекладывая ознакомление со многими фундаментальными генетическими процессами и явлениями на самостоятельную работу студентов.

Мы дополнили изложение ряда разделов в классических учебниках, в частности, И.Ф. Жимулева (Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика / И.Ф. Жимулев.- Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2002.- 458 с.).

Это касается, например, матричных принципов передачи генетической информации. Другие разделы мы постарались изложить более доходчиво, поскольку считаем, что стиль изложения этого, в целом очень хорошего и современного учебника, в ряде случаев трудно воспринимается.

Данное пособие может быть полезным для студентов и аспирантов при подготовке к экзаменам по генетике и общей биологии, а также для преподавателей, интересующихся проблемами современной генетики.

Тема 1. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ГЕНЕ 1.1. История развития представления о гене Теория гена – это центральная проблема генетики. На протяжении всей истории существования генетики понятие ген непрерывно уточнялось.

Впервые Г. Мендель в 1865 г. на основании результатов своих опытов с растительными гибридами (горохом) постулировал наличие дискретных наследственных факторов, передаваемых потомкам от родителей с помощью половых клеток. В 1909 г. эти “наследственные факторы” или “наследственные задатки” получили название гены, данное им В. Иогансеном. В 1902 – 1907 гг. У. Сэттон и Т. Бовери предположили связь генов с хромосомами, а Т. Морган и его школа (А. Стертевант, К. Бриджес, Г.

Меллер) доказали это исследованиями с плодовой мушкой дрозофилой.

Основные представления о гене были сформулированы Т. Морганом в 1911 г. в рамках хромосомной теории наследственности. Согласно этой теории, ген имеет основные свойства хромосом (способность к редупликации, к закономерномураспределению в митозе и мейозе), занимает определенный участок (локус) хромосомы, является единицей мутации (т.е. изменяется как единое целое), единицей рекомбинации (т.е. кроссинговер не происходит в пределах гена) и единицей функции, т.е. ген неделим. Гены расположены в хромосомах в линейном порядке (как бусы на нити), образуя в пределах каждой хромосомы одну группу сцепления. Группы сцепления генов могутнарушаться кроссинговером, происходящим между гомологичными хромосомами.

Однако уже в 30-е годы XX века А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин доказали факт делимости гена. С помощью рентгеновских лучей эти авторы получили серию мутаций гена scute (sc) у дрозофилы, которые вызывали отсутствие определенных щетинок на ее теле. Их обозначили как sc1, sc2, sc3 …sc13. При скрещивании особей, гомозиготных по определенным мутантным аллелям в F1, у гетерозигот отсутствовали только те щетинки, которые были редуцированы у обеих гомозигот. Например, если мутация sc1 вызывала редукцию щетинок ABC, а sc2 BCD, то угетерозиготы sc1/scотсутствовали щетинки BC, а A и D имелись. Создавалось впечатление, что речь идет о частичной гетерозиготности, когда часть мутантных аллелей, которые оказывают одинаковый фенотипический эффект, оказываются в гомозиготном состоянии. Было проанализировано 13 различных мутаций в локусе scute. При их сочетании наблюдалась та же закономерность.

Если эту закономерность представить графически, то образуется как бы лестница, ступенями которой служат различные аллели sc:

sc1 A B C sc2 B C D sc3 C D E Поэтомуописанное явление получило название ступенчатого аллелизма. В целом же можно было говорить о том, что ген дискретен и может мутировать отдельными частями (центрами), иметь множество аллельных форм. Таким образом, явление множественного аллелизма послужило одним из первых доказательств сложного (центрового) строения, или делимости, гена.

В 1949 году М. Грин и К. Грин показали делимость гена lz (lozenge) у дрозофилы посредством кроссинговера. Они получили гетерозиготы lzBS/lzg, 0,1% потомков от которых имели либо нормальные глаза, либо более сильное мутантное проявление, чем любой из аллелей. Это могло произойти только в результате кроссинговера внутри этого гена.

Позже было доказано, что не только ген, но и любая его часть может быть разделена кроссинговером, затронута мутацией. В 1957 г. С. Бензер изучил тонкую структуру гена, проанализировав серию мутаций гена rII у фага Т4, и показал, что единицей функции является вся последовательность нуклеотидов гена (это так называемый цистрон), единицей мутации является пара нуклеотидов (мутон), а единицей рекомбинации – обмен парой нуклеотидов (рекон).

Огромный вклад в понимание структуры и функции гена внесли Дж.

Бидл и Э. Тейтум, которые в начале 40-х гг. XX века впервые исследовали биохимические мутации у хлебной плесени Neurospora crassa. Эти исследования показали, что мутации ауксотрофности у гриба нейроспоры прерывают цепи метаболизма на конкретных этапах. Причем аллельные мутации всегда затрагивают один и тот же этап биосинтеза. На основе своих результатов Бидл и Тейтум сформулировали принцип “один ген – один фермент”, означавший, что каждый ген контролирует синтез какого-либо определенного фермента. Позднее эта формулировка была уточнена “один ген – один полипептид”, т.к. ген не всегда детерминирует синтез целой белковой молекулы.

Уже в 30-х гг. ученых интересовал вопрос: из какого материала построены гены В 1928 г., а в более развернутой форме в 1935 г. Николай Константинович Кольцов (глава московской школы генетиков) выдвинул гипотезумолекулярной организации гена. Ученый постулировал, что хромосома – гигантская макромолекула, в которой гены представлены ее отдельными радикалами. Причем, он фактически предложил матричный принцип воспроизведения генов (дочерний ген появляется в виде молекулярной копии исходного гена - “каждая молекула от молекулы”). Единственная ошибка, которую сделал ученый – все эти свойства он приписывал белкам, так как нуклеиновые кислоты были еще мало изучены. В то время было общепринятым представление, что генетически значимый компонент хромосом – это белок, а не нуклеиновая кислота. По модели Н.К. Кольцова длинные полипептидные цепи организованы в двухцепочечную структуру хроматиды. Эта структура, как предполагалось, строит рядом с собой новую идентичную структуру. Это была своего рода консервативная схема репликации белковой цепи. Модель Н.К. Кольцова привлекла внимание не только у нас в стране, но и за рубежом. Эта идея легла в основуоткрытия Дж. Уотсона и Ф. Крика.

Генетическая роль ДНК была впервые установлена в опытах с микроорганизмами. Первые доказательства роли ДНК как материальной основы наследственности были получены в 1944 году О. Эйвери, К. МакЛеодом и М. Мак-Карти в опытах по трансформации у бактерий. Этому предшествовали опыта Ф. Гриффитса в 1928 году, который заражал мышей смесью авирулентного штамма пневмококков с убитым нагреванием вирулентным и наблюдал гибель мышей и превращение, или трансформацию, некоторых клеток авирулентного штамма в вирулентные. О. Эйвери с соавторами удалось установить природу трансформирующего агента опытами в условиях пробирочной культуры. Они действовали на разные пробирки со смесью авирулентных и убитых нагреванием вирулентных штаммов пневмококков ферментами ДНК-азой, РНК-азой и протеазой. Только при обработке смеси ДНК-азой трансформирующая способность в смеси не наблюдалась. Т.е. трансформирующим агентом у пневмококков была ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, а следовательно, именно ДНК составляет основухромосом и является носителем наследственной информации.

Несколько позже было показано, что носителем наследственной информации у вирусов служит их нуклеиновая кислота: ДНК – у ДНКсодержащих вирусов (опыты А. Херши и М. Чейза, проведенные в 1952 г.

на бактериофаге Т2, заражающем бактерию кишечной палочки - Escherichia coli) или РНК – у РНК- содержащих вирусов (эксперименты Х.

Френкеля-Конрата и Б. Зингера, проведенные в 1956 г. с вирусом табачной мозаики ).

В своих опытах Херши и Чейз инфицировали вначале фагом бактериальную культуру, в среду для которой были добавлены радиоактивные изотопы 35S и 32P, пометив таким образом белковую часть фага (35S) и его ДНК (32P). Затем меченым фагом инфицировали обычную культуру бактерий. С помощью электронно-микроскопических исследований было установлено, что фаг прикрепляется отростком к поверхности бактерии, лизирует в этом месте поверхность бактериальной клетки и впрыскивает внутрь клетки свою ДНК. Белковая же оболочка фага остается на поверхности бактерии. Такие оболочки получили название «теней». Репликация фаговых частиц идет в клетке бактерии на фаговой ДНК. При разделении центрифугированием «теней» от бактериальных клеток после проникновения в них фаговой ДНК радиоактивная сера была обнаружена во фракции «теней», а фосфор – во фракции бактерий.

В опытах Френкеля-Конрата и Зингера получены доказательства тому, что РНК также может представлять генетический материал. Штаммы РНКсодержащего вируса табачной мозаики (BTM) различаются аминокислотным составом белка. Вирусные частицы разделяли на РНК и белок, а затем ресинтезировали, смешивая РНК и белок. Они могли быть также ресинтезированы, если РНК принадлежала одномуштаммуВТМ, а белок другому (гибридные вирусные частицы ). При заражении растительных клеток таким гибридным вирусом потомство вирусов имело белок, соответствующий исходной РНК. Таким образом, РНК, а не белок родительского (гибридного) штамма определяет белковый состав и характерные признаки потомства, т.е. содержит необходимую для этого генетическую информацию.

Итак, была поставлена самая важная точка в молекулярной биологии и генетике: ген - участок нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК).

Но истинная природа генов была установлена лишь в середине XX века. Это явилось выдающимся событием, позволившим назвать XX век “веком клеточного ядра”, когда американским вирусологом Джеймсом Уотсоном и английским физиком Френсисом Криком была установлена пространственная (трехмерная) структура ДНК. Разработанная ими трехмерная модель структуры ДНК позволила понять ее свойства как генетического материала, т.е. как материального субстрата наследственности: 1) способность кодировать наследственную информацию; 2) способность к самовоспроизведению; 3) способность приобретать изменения и воспроизводить их. Открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком дало ответ сразу на 2 сокровенные загадки природы : каким образом закодирована в молекуле ДНК наследственная информация и как она передается по наследству.

Тайнопись наследственности оказалась удивительно простой. Она представляла собой лишь комбинацию из четырех нуклеотидов (A, T, G, C). Т.е. генетический алфавит состоит всего лишь из четырех букв.

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик, обобщив все имеющиеся к тому времени знания, расшифровали пространственную структуру ДНК и показали, что наследственная информация в ДНК закодирована в виде последовательностей нуклеотидов. Ранее абстрактное понятие ген как единица наследственности стало реальностью. Две группы фактов легли в основу модели ДНК: 1) биохимические данные, полученные Э. Чаргаффом (в ходе очень тонких исследований высокоочищенных образцов ДНК), в том числе его знаменитое правило (правило Чаргаффа). Оно гласит - независимо от видовой принадлежности организма сумма пуриновых азотистых оснований равна сумме пиримидиновых оснований, т.е. A+G=T+C; причем количество аденина всегда равно количеству тимина, а количество гуанина – содержанию цитозина – A=T, G=C или A/T=1, G/C=1; это позволило сформулировать принцип комплементарности (взаимного соответствия, дополнения) азотистых оснований в молекуле ДНК (A - T и G – C); 2) данные рентгеноструктурного анализа, полученные в Лондонском университете М. Уилкинсом и Р. Франклин. Розалинд Франклин фактически дала снимок (рентгенограмму), который показал, что ДНК – это двойная спираль.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.