Митохондриальный и ядерный геномы, их значение. Свойства генома эукариот. Характеристика генома человека. Понятие о геномике

                                                            ФГБОУ ВПО

«Бурятский государственный  университет»

                                           Медицинский факультет

 

 

 

 

 

Реферат:

«Митохондриальный и ядерный геномы, их значение. Свойства генома эукариот. Характеристика генома человека.

Понятие о геномике»

 

 

 

 

 

 

                                                                              Выполнил: Бальжиева В.А группа  №141109

                                     Проверил: Тыхеева Н.А

 

                                                                  

                                                           Улан-Удэ

                                                             2013 г.

Геномика

Термин "геномика" производный  от генома -- совокупности всех генов  организма; -- "протеомика" -- производный  от протеома -- совокупности структурных  и каталитических белков в клетке эукариота или прокариота. Обе  дисциплины можно считать как  бы терминологическим оформлением  современного этапа развития генетики и белковой химии, приближающим их к  целостной клетке. И по времени  возникновения, и в методологическом аспекте главенствующее значение здесь  занимает геномика; протеомика базируется на геномике, являясь этапом познания живого уже на белковом уровне.

 

 Задачи и цели геномики. Взаимосвязь геномики и  протеомики

Задача  геномики -- установление полной генетической характеристики всей клетки -- количества содержащихся в ней генов и  их последовательности, количества нуклеотидов  в каждом гене и их последовательности, определение функций каждого  гена по отношению к метаболизму  организма или, более обще, применительно  к его жизнедеятельности.

Геномика  позволяет выразить сущность организма -- его потенциальные возможности, видовые (и даже индивидуальные) отличия  от других организмов, предвидеть реакцию  на внешние воздействия, зная последовательность нуклеотидов в каждом из генов  и число генов.

Цель  геномики -- получение информации обо  всех потенциальных свойствах клетки, которые не реализуются на данный момент, например, "молчащие гены", протеомика же дает возможность охарактеризовать клетку в данный момент, зафиксировав все находящиеся в ней белки  в своего рода "моментальной фотографии" функционального состояния клетки на уровне ее протеома, т.е. совокупности всех ферментных и структурных белков, которые "работают" в отличие  от неэкспрессирующихся генов.

                                      Характеристика генома человека

1. Понятие наследственности  и изменчивости Наследственность и изменчивость обеспечиваются функционированием особого материального субстрата (генетического аппарата). На современном этапе представления о природе генетического аппарата позволяют выделить три уровня его организации: генный, хромосомный, геномный. При этом термин "геном" означает полный состав ДНК клетки, то есть совокупность всех генов и межгенных участков. Можно считать, что геном - полный набор инструкций для формирования и функционирования индивида. Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика. В рамках этого направления проводится секвенирование, картирование и идентификация функций генов и внегенных элементов. Задачей геномики является расшифровка новых биологических систем и процессов. Геномика человека является основой молекулярной медицины и имеет большое значение для разработки методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и ненаследственных заболеваний. Большое значение для медицины имеют исследования в области геномики патогенных микроорганизмов. Полученные в этих исследований результаты ценны для понимания инфекционного процесса и позволяют создавать лекарства, действующие на специфические мишени бактерий.

 

 

Организация генома Организация генома человека (как и каждого эукариотического вида) представляет собой последовательную иерархию элементов: нуклеотидов, генов с межгенными участками, сложных генов, плеч хромосом, хромосом, гаплоидного набора вместе с внеядерной ДНК. 
Основное внимание в генетике всегда уделялось гену, который и является элементарной функциональной единицей наследственности, определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организма. Передачей генов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальная преемственность - наследование потомками признаков родителей. Основные свойства гена как функциональной единицы материала наследственности и изменчивости определяются его химической организацией. 
Исследования химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты. Это полимеры, состоящие из мономеров-нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание. Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Более химически устойчивым компонентом является ДНК, которая и представляет собой субстрат наследственности и изменчивости. Согласно модели Д. Уотсона и Ф. Крика, молекула ДНК представляет собой замкнутую спиралевидную двойную цепь, звенья которой составляют нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара - дезоксирибозы, фосфорной кислоты и одного азотистого - пуринового (аденин, гуанин) или пиримидинового (цитозин, тимин) основания. Азотистое основание в каждом нуклеотиде соединено с молекулой дезоксирибозы. Все нуклеотиды связаны между собой через дезоксирибозу и остатки фосфорной кислоты. Следовательно, нить ДНК состоит из чередующихся молекул оксирибозы, фосфорной кислоты и азотистых оснований. Нити ДНК соединены друг с другом водородными атомами через азотистые основания так, что против пуринового основания всегда располагается пиримидиновое. Такими парами являются аденин и тимин, гуанин и цитозин. Эти пары оснований называются комплементарными. Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию - репликации.

     Митохондриальный и ядерные геномы, их значение. Свойства генома эукариот.

Эукариотические организмы (и особенно млекопитающие) устроены значительно сложнее прокариотов  и нуждаются в более сложно аппарате регуляции. Так, в организме человека имеется более 200 различных типов клеток, существенно различающихся по структуре и функциям. В то же время различными методами исследования ДНК (прежде всего, методом молекулярной гибридизации) доказано, что количество и структура ДНК практически всех клеток организма одинаковы (за исключением лимфоцитов), т.е. все клетки организма содержат один и тот же геном. У высших организмов по сравнению с прокариотическими существенно возрастает содержание ДНК на гаплоидную клетку: с 4,2×10⁶ пар нуклеотидов у Е. coli до 3,3×10⁹ пар нуклеотидов в клетках человека.

1. Организация хроматина в дифференцированных 
клетках многоклеточного организма

В клетках млекопитающих наряду с  адаптивной регуляцией, обеспечивающей приспособление организма к меняющимся условиям внутренней и внешней среды, существуют механизмы, которые сохраняют  стабильную (существующую на протяжении всей жизни клетки и даже многих её генераций) репрессию одних генов  и депрессию других.

В ядрах дифференцированных клеток хроматин имеет такую укладку, что только небольшое число генов (часто  менее 1%) доступно для транскрипции. Различают участки гетерохроматина, в которых ДНК упакована очень  компактно и недоступна для транскрипции, и участки эухроматина, имеющие  более рыхлую укладку и способные  связывать РНК-полимеразу. В разных типах клеток в область эухроматина  попадают разные гены, а это означает, что в разных тканях транскрибируются разные участки хроматина.

Стойкая репрессия  генов гетерохроматина обеспечивается:

• пространственной укладкой ДНК, при которой гетерохроматин находится в высококонденсированном состоянии;
• метилированием дезоксицитидина ДНК-ме-тилазами в 5'-CG-3' последовательностях ДНК. Эта модификация сильно меняет кон-формацию хроматина и препятствует активной транскрипции;
• связыванием с гистонами и образованием нуклеосом, которые также снижают транскрипционную активность ДНК.

Исследования показали, что области эухроматина, в которых расположены активно транскрибируемые гены, обладают некоторыми структурными особенностями:

• они более чувствительны к действию ДНК-аз, чем остальные участки ДНК;
• молекулы гистонов, связанные с ДНК в этих участках, модифицированы: е-аминогруппа лизина метилирована или ацетилирована; метилированы некоторые остатки аргинина и гистидина в гистонах Н2А и Н2В, являющихся коревыми белками нуклеосом. Некоторые молекулы Н2А образуют прочный комплекс с белком убиквитином. В гистоне HI фосфорилируются остатки серина. Результат этой серии ковалентных модификаций - снижение суммарного, положительного заряда гистонов и ослабление сродства нуклеосом к ДНК.
• к областям "активного" хроматина присоединяется группа негистоновых HMG-бел-ков, или белков с высокой подвижностью при гель-электрофорезе. Эти белки содержат много положительно заряженных аминокислотных остатков, связывание с которыми ослабляет взаимодействие ДНК и гистонов и вызывает дополнительное повышение транскрипционной активности генов.

Разнообразие клеток и  возросшая сложность клеточных  процессов нуждаются в большом  разнообразии механизмов регуляции. Показано, что разный набор и количество белков в эукариотических клетках  может регулироваться:

• изменением количества структурных генов;
• перестройкой генов в хромосомах;
• эффективностью транскрипции разных участков генома;
• характером посттранскрипционных модификаций первичных транскриптов;
• на уровне трансляции;
• с помощью посттрансляционных превращений вновь синтезированных полипептидных цепей.

2. Изменение  количества генов

Геном эукариотов обнаруживает высокую пластичность, играющую важную роль в регуляции активности некоторых  генов и увеличивающую разнообразие клеточных ответов. У млекопитающих  реализуются следующие варианты изменений в структуре генов:

190

• Амплификация (или увеличение числа) генов используется организмом в том случае, когда возникает необходимость увеличить синтез определённого генного продукта. Многие гены, кодирующие белки или РНК, необходимые организму в больших количествах (например, гистоны, рРНК, тРНК), постоянно присутствуют в амплифицированном соетрянии. Так, у человека 20% общего генома состоит из участков, кодирующих рибосомные, транспортные и ядрышковые РНК, последние из которых обеспечивают посттранскрипционные модификации РНК. Амплифицированные участки могут располагаться друг за другом (тандемно) в хромосоме или образовывать внехромосомные фрагменты ДНК, называемые двойными мини-хромосомами, их размер колеблется от 100 до 1000 килобаз (1 килобаза = 1000 пар нуклеотидов). Описано более 20 генов, способных амплифицироваться при определённых условиях.

К числу генов, для которых  обнаружена амплификация, относят ген  металлотионеина. Продукт экспрессии этого гена - низкомолекулярный белок  металлотионеин, обладающий способностью связывать тяжёлые металлы (медь, цинк, кадмий, ртуть) и защищать клетки от отравления этими соединениями. Установлено, что в ответ на повышение  концентрации тяжёлых металлов в  крови в клетках происходит амплификация гена металлотионеина.

Другими примерами генов, количество которых увеличивается  под влиянием лекарственных препаратов, являются ген дигидрофолатредуктазы (см. разделы 9, 10) и ген Р-гликопротеина, ответственный за синтез белка, обеспечивающего  множественную лекарственную устойчивость опухолевых клеток (см. раздел 16).

• Утрата генетического материала - довольно редкий способ регуляции. Наиболее яркий пример потери всех генов за счёт разрушения ядра - процесс созревания эритроцитов. Нестабильны амплифицированные гены, двойные хромосомы. Они, как правило, исчезают в последующих генерациях. Утрата генетического материала происходит в процессе созревания лимфоцитов и образования плазматических клеток разных клонов, синтезирующих секретируемые формы иммуноглобулинов.

3. Перестройка  генов

У высших организмов, так  же как и у прокариотов, отмечают процесс обмена, перемещения генов  между хромосомами или внутри хромосомы, объединение генов с  образованием изменённой хромосомы, которая после таких структурных изменений способна к репликации и транскрипции. Этот процесс получил название "генетическая рекомбинация".

У эукариотов рекомбинации наблюдают:

• при половом слиянии яйцеклетки и сперматозоида;
• при перемещении подвижных генетических элементов - транспозонов, в состав которых входят отдельные гены или группа генов, с исходной позиции в какое-либо другое место той же или другой хромосомы;
• при формировании в лимфоцитах "библиотеки" генов, кодирующих антитела или иммуноглобулины.

Таким образом, перестройки генетического  материала в процессе формирования полных генов Ig происходят в несколько  этапов, каждый из которых приурочен  к строго определённой стадии дифференцировки  В-лимфоцитов. Из сегментов, которые  кодируют различные участки полипептидной  цепи, входящей в вариабельные домены, и одного из экзонов константного домена собираются полные гены тяжёлых  и лёгких нитей Ig. Сборка L-цепей включает одну соматическую рекомбинацию, а  сборка Н-цепей происходит с помощью  двух соматических рекомбинаций. Когда  В-лимфоциты синтезируют Ig не класса М, то это сопровождается ещё одним  дополнительным рекомбинационным событием. Соматические мутации, происходящие в  зрелых В-лимфоцитах, делают многообразие антител неисчерпаемым.

4. Регуляция транскрипции

Регуляция транскрипции генов высших организмов сходна с регуляцией экспрессии генов  прокариотов. Основное различие состоит  в значительно большем количестве участков ДНК и регуляторных факторов, контролирующих этот процесс.

Ранее уже говорилось о том, что минимальный  синтез любого белка поддерживается в том случае, если к ТАТА-участку  промотора присоединяется ТАТА-связывающий  белок, факторы транскрипции и РНК-полимераза, образующие инициирующий комплекс, осуществляющий синтез небольшого количества мРНК. Формирование комплекса - многоступенчатый процесс, от образования которого зависит  скорость инициации транскрипции. Идентифицировано более 100 различных белков, способных  взаимодействовать со специфическими регуляторными последовательностями ДНК, влияя главным образом на процесс сборки транскрипционного  комплекса и скорость транскрипции