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.