биология. EKZAMEN_BIO (Восстановлен). Краткий обзор 1) единство химического состава, 2) обмен веществ, 3) самовоспроизведение (репродукция), 4) наследственность
![]()
|
|
Объект | Размер гаплоидного генома в парах нуклеотидов |
Микоплазмы | 104-106 |
Эубактерии (E.coli) | 105-107 |
Грибы | (2-5)х107 |
Водоросли | (5-7)х107 |
Черви | 108 |
Моллюски | 5х108-5х109 |
Насекомые | 108-5х109 |
Ракообразные | 109 |
Иглокожие | 2х108-2х109 |
Рыбы | 3х108-1010 |
Амфибии | 7х108-7х1010 |
Рептилии | (2-3)х109 |
Птицы | 109 |
Млекопитающие | 3х109 |
Цветковые растения | 2х108-1011 |
Полный ответ:
Геном - вся совокупность молекул ДНК клетки (в случае ряда вирусов говорят о геномной РНК).
Существует ядерный геном, митохондриальный геном и геном пластид. Соматические клетки содержат диплоидный (2n) геном, половые - гаплоидный (n).
Прямой корреляции между количеством ДНК и эволюционной продвинутостью организма нет.
Так, например, у малярийного плазмодия 0.06 пг ДНК в ядре, а у амебы 490 пг. Большое количество ДНК не обязательно приносит качественно новую информацию. Амеба пошла на увеличение количества ДНК для увеличения размеров ядра и самой клетки. Генов у нее меньше, чем у плазмодия, но они копированы много раз. У малярийного плазмодия генов больше, чем у амебы, а ДНК меньше для максимальной компактности. Малые размеры ядра и самого одноклеточного организма позволяют ему быть внутриклеточным паразитом.
"Избыточность" эукариотического генома
На 106 пар нуклеотидов у бактерий приходится 5 тыс. генов. На 109 пар нуклеотидов у млекопитающих 50 тыс. генов.
Минусы "избыточной" ДНК:
- увеличение времени синтеза ДНК;
- cложнее организовывать удвоение ДНК;
- высокая энергоемкость - на 1 нуклеотид для включения в цепь ДНК нужно затратить 60 молекул АТФ.
Неопределенное следствие:
- благодаря зависимости размера ядра от количества ДНК происходит увеличение размеров клетки.
Плюсы "избыточной" ДНК:
- возникает возможность создания сложного регуляторного аппарата, позволяющего поднять организм на более высокий эволюционный уровень.
Причины избыточности:
1. Большой размер генов (за счет наличия интронов).
2. Присутствие повторенных последовательностей. Повторяются и гены, и некодирующие участки. У эукариот некоторые последовательности повторены сотни и тысячи раз.
3. Наличие большого числа некодирующих последовательностей, часть из которых выполняет регуляторную функцию при транскрипции, а часть - необходима для компактизации генома.
Компактность генома эукариот
Компактность - другое принципиальное отличие генома эукариот от прокариотического генома.
При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК прокариот.
Выделяют, по крайней мере, 4 уровня компактизации ДНК. При этом нить ДНК "укорачивается" в 10000 раз.
Это все равно, что нить, длиной с Останкинскую башню (500 м), уложить в спичечный коробок (5см).
Два первых уровня компактизации эукариотического генома обеспечиваются гистонами.
Вопрос 125.
Организация геномов гаплоидных и диплоидных организмов.
Кратко:
ГЕНОМ, совокупность генов, локализованных в гаплоидном наборе хромосом данного организма. Половыеклетки гаплоидные) содержат один геном, соматические клетки высших организмов (диплоидные) - два: один геном отцовский, другой - материнский.
Геном человека состоит из 23 хромосом и содержит примерно 3*109 нуклеотидных пар. Геном бактерий представлен единственной, кольцевой хромосомой, связанной с клеточной мембраной. Строение ее намного проще, чем у высших организмов. Так, ДНК генома кишечной палочки состоит из 3,8*106нуклеотидных пар. Геном наиболее примитивных вирусов состоит из молекулы ДНК или (в некоторых случаях) РНК, имеющих линейную или кольцевую форму. У более сложных вирусов обнаруживаются черты структурной организации, характерные для хромосом высших организмов.
Бактериальный геном содержит в основном неповторяющиеся гены; лишь немногие гены, кодирующие рибосомальные РНК, присутствуют в бактериальном геноме в виде неских копий. В геномах высших организмов по степени повторяемости выделяют три основных типа нуклеотидных последовательностей: высокоповторяющиеся (до 106 копий), умеренно повторяющиеся (102*105 копий) и уникальные. Последние могут быть представлены одной или несколькими копиями. В эту фракцию входит подавляющее число генов, кодирующих белки. Повторяющиеся последовательности обычно составляют в зависимости от вида организма 10-70% всего генома. Их, как правило, меньше у низкоорганизованных организмов и больше у высших. Выяснены функции лишь очень малой части всех повторов. Особую фракцию генома составляют мигрирующие генетические элементы.
Полный ответ:
ГЕНОМ, совокупность генов, локализованных в гаплоидном наборе хромосом данного организма. Половые клетки (гаплоидные) содержат один геном, соматические клетки высших организмов (диплоидные) - два: один геном отцовский, другой - материнский.
Все живые организмы в зависимости от структурно-функциональной организации генома делят на эукариотов и прокариотов (протокариотов). Эукариотами называют организмы, в клетках которых имеется морфологически обособленное ядро, содержащее хромосомы и отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. К ним относят всех животных и растения, кроме сине-зеленых водорослей. Прокариотами называют организмы, клетки которых не дифференцированы на ядро и цитоплазму и не содержат морфол, аналогов хромосом эукариотов. К ним относят бактерии и синезеленые водоросли, а также самые примитивные формы жизни — вирусы и бактериофаги. Общим для эукариотов и прокариотов является то, что в обоих случаях носителем наследственной информации является нуклеиновая к-та — ДНК или у некоторых вирусов РНК (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты, Рибонуклеиновые кислоты).
Геном человека состоит из 23 хромосом и содержит примерно 3*109 нуклеотидных пар. Геном бактерий представлен единственной, кольцевой хромосомой, связанной с клеточной мембраной. Строение ее намного проще, чем у высших организмов. Так, ДНК генома кишечной палочки состоит из 3,8*106нуклеотидных пар. Геном наиболее примитивных вирусов состоит из молекулы ДНК или (в некоторых случаях) РНК, имеющих линейную или кольцевую форму. У более сложных вирусов обнаруживаются черты структурной организации, характерные для хромосом высших организмов.
Бактериальный геном содержит в основном неповторяющиеся гены; лишь немногие гены, кодирующие рибосомальные РНК, присутствуют в бактериальном геноме в виде неских копий. В геномах высших организмов по степени повторяемости выделяют три основных типа нуклеотидных последовательностей: высокоповторяющиеся (до 106 копий), умеренно повторяющиеся (102*105 копий) и уникальные. Последние могут быть представлены одной или несколькими копиями. В эту фракцию входит подавляющее число генов, кодирующих белки. Повторяющиеся последовательности обычно составляют в зависимости от вида организма 10-70% всего генома. Их, как правило, меньше у низкоорганизованных организмов и больше у высших. Выяснены функции лишь очень малой части всех повторов. Особую фракцию генома составляют мигрирующие генетические элементы.
Вопрос 126.
Базовые регуляторные элементы генома.
Краткий ответ:
регуляторные элементы энхансеры, сайленсеры, инсуляторы.
Полный ответ:
регуляторные элементы энхансеры, сайленсеры, инсуляторы.
Энхансеры
Механизм действия энхансера основан на результатах изучения бактериальных систем. Известно, что в клетках бактерий началу транскрипцииспособствует образование петли ДНК. Это согласуется с данными о том, что энхансеры обычно наиболее эффективны, когда они находятся вблизи промотора; с увеличением расстояния их активность постепенно падает.
Предложены и другие гипотезы о механизме действия этого регуляторного элемента:
1. Энхансер может действовать на большом расстоянии, активируя ДНК-топоизомеразу, которая вносит торсионное напряжение в большую петлю ДНК, используя для этого энергию гидролиза АТР.
2. Энхансер может влиять на транскрипцию, действуя как сайт посадки мобильных белков, которые связываются с ДНК и затем движутся вдоль ее молекулы.
3. Энхансер может связывать белки, которые способствуют присоединению близлежащего гена к определенной области ядра, где локализованы факторы транскрипции.
Активаторы (Activators)- белки, которые связываются с энхансерами, которые помогают РНК-полимеразе правильно начать транскрипцию.
Репрессоры (Repressor)- белки,которые связывают активаторы, чем снижают или прекращают транскрипцию.
Основные факторы (Basal factors)- белки, которые ориентируют РНК-полимеразу на начало структурной части гена.
TATA box (или Pribnow box)- часть промотора, являющаяся сайтом связывания для белковых факторов.
Транскрипционные факторы (Transcription factors)- помогают занять правильную позицию активаторам и РНК- полимеразе.
Сайленсоры
Ингибирование транскрипции с использованием регуляторных элементов, называемых сайленсерами, - активный процесс. В этом случае происходит прямое подавление инициации транскрипции путем разрушения транскрипционного комплекса на промоторе или посредством его инактивации иным способом. Первый из описанных в 1986 г. сайленсеров обладал классическими энхансероподобными свойствами, действуя на промоторы, расположенные в цис-положении (на той же молекуле ДНК) на большом расстоянии. При этом активность сайленсера, подобно энхансеру, не зависела от его ориентации по отношению к регулируемому промотору. Активность других сайленсеров зависит от положения их по отношению к регулируемому промотору и ориентации относительно него, и прямо пропорциональна числу их копий. Регуляторные белки, связывающиеся с сайленсерами, по аналогии с белками энхансеров , помимо ДНК-связывающих доменов содержат аминокислотные последовательности, обеспечивающие белок-белковые взаимодействия, которые необходимы для осуществления негативной регуляции транскрипции.
![](594216_html_49ac0cb03196381.gif)
Существуют определенные последовательности нуклеотидов длиной в несколько сотен пар оснований, которые обладают способностью подавлять позитивное и негативное влияние эухроматина и гетерохроматина на экспрессию трансгенов, интегрированных в этот хроматин и фланкированных указанными последовательностями в новом сайте интеграции. Такие участки ДНК как бы изолируют ген, находящийся между ними, способствуя сохранению его обычной пространственной структуры. Эти последовательности известны под названием инсуляторов (англ. insulate - изолировать) и как регуляторные области локусов (LCR - locus control regions). Введение одного из таких элементов между энхансером и промотором регулируемого гена приводит к функциональной изоляции энхансера и подавлению экспрессии гена, а фланкирование гена пограничными последовательностями предохраняет его от инактивирующего действия окружающего конденсированного гетерохроматина, т.е. снимает эффект положения. У высших эукариот энхансер может активировать промотор на расстоянии, достигающем нескольких сотен тысяч пар нуклеотидов, что является одной из особенностей регуляции транскрипции высших эукариот.
По сути механизм формирования петли (домена) выглядит так:
![](594216_html_49ac0cb03196381.gif)
Вопрос №127
Полиморфизм генов.
Краткий обзор:
Полиморфизм ДНК-существование в популяции двух или большего числа альтернативных аллелей определенного локуса гена, которые различаются нуклеотидной последовательностью.
Аллель-серия двух или более генов занимающие одинаковые позиции в гомологичных хромосомах. Соматические клетки содержат два аллеля одного гена(по числу гомологичных хромосом),половые по одному аллелю.
Основная часть:
Большинство генов в каждом организме представлено двумя аллелями один от отца другой от матери. Если аллели идентичны- то организм -гомозиготен если разные- гетерозиготен.В ходе эволюции разные аллели произошли от единого аллеля предшественника.Таким образом гены представленные в популяции несколькими аллелями –полиморфные. Мутации ведут к возникновению новых аллелий.И лежат в основе генетической изменчивости живой природы.Пример молчащей мутации замена нуклеотида, при которой новый кодон имеет прежний смысл.(кодирует ту же аминокислоту- НЕ МЕНЯЕТ СТРУКТУРУ БЕЛКА)Такие нейтральные мутации –нормальные полиморфизмы.Патологические мутации приводят к нарушению механизма трансляции транскрипции, либо к синтезу аномального белка.
Полиморфизмы обнаружены во всех структурных элементах генома:экзонах интронах регуляторных участков. Полиморфизм ДНК БОЛЕЕ выражен в некодирующей части генома→изменение уровня экспрессии мРНК.Если один и тот же ген у разных людей отличается на один нуклеотид –однонуклеотидный полиморфизм.(В геноме человека встречается 1 на 300 нуклеотидов)Такая высокая плотность позволяет использовать однонуклеотидные полиморфизм ы в качестве генетического маркера. Еще один вид генетического полиморфизма –вариация числа копий.В этом случае наблюдатся вариации числа копий протяженных участков ДНК. Происходит ЭТО в результате ДЕЛЕЦИИ И ДУПЛИКАЦИИ.
Ген считается полиморфным если его самый распространенный аллель встречается менее чем у 99%людей,или частота редкого аллеля должна быть менее чем 1%В науке и медицине полиморфизм используют в качестве генетического маркера для поисков генов ответственных за генетические заболевания
Вопрос 128.
Применение полиморфных маркеров в ДНК-диагностике.
Краткий :Полиморфного локус (маркер), с помощью которого можно производить маркировку как мутантных, так и нормальных аллелей и проанализировать их передачу в поколениях. Применяется при косвенной ДНК-диагностике. Анализ полиморфных генетических маркёров позволяет проследить в ряду поколений наследование каждой из родительских хромосом.Полиморфными принято называть гены, которые представлены в популяции несколькими разновидностями - аллелями, что обусловливает разнообразие признаков внутри вида.
Полный:Косвенная ДНК-диагностика, по существу, сводится к анализу полиморфных генетических маркеров у больных и здоровых членов семьи. Эти маркеры должны быть расположены в том же хромосомном регионе, где и ген болезни, т.е. они сцеплены. Такими маркерами могут быть участки ДНК, существующие в популяции в нескольких аллельных вариантах. Различия могут быть по составу нуклеотидов, по числу динуклеотидных повторов. На основе вариабельности состава маркерных участков ДНК можно дифференцировать материнское или отцовское происхождение конкретного варианта маркера, сцепленного с геном болезни. Сцепление означает, что маркер и ген болезни располагаются близко друг к другу; они передаются в составе одного хромосомного сегмента. Благодаря анализу полиморфных генетических маркеров можно проследить в ряду поколений наследование каждой из родительских хромосом.Технические приемы в косвенной диагностике те же самые, что и в прямой (получение ДНК, рестрикция, электрофорез и т.д.). Естественно, к этому добавляется математический анализ сцепления признаков.Использование косвенных подходов оказалось возможным благодаря существованию в геноме полиморфных участков (локусов) ДНК. Нуклеотидные замены достаточно часто встречаются в некодирующих участках ДНК. Значительное число нуклеотидных замен приводит к изменению мест рестрикции. Эти изменения можно выявить с помощью блот-гибридизации по Саузерну, поскольку изменяется длина рестриктных фрагментов. Эта разновидность полиморфизма ДНК получила названиеполиморфизма по длине рестриктных фрагментов.Расположенный вблизи изучаемого гена или внутри него полиморфный сайт может служить маркером аллельных вариантов этого гена, в том числе маркером патологических мутаций.
|
Полиморфизм, обусловленный нуклеотидными заменами или делециями, как правило, диаллелен, а, значит, его информационная ценность ограничена. Более информативны кластеры тандемных повторов, которые обусловливают полиморфизм по количеству копий (VNTR -variable number of tandem repeats), так называемый полиморфизм мини- и микросателлитных последовательностей.Микросателлиты - короткие тандемные повторы, обычно двугексануклеотидные. Самый распространенный из них - CA-повтор. Показано, что кластеры СА-повторов встречаются в среднем 1 на 30 000 пар нуклеотидов. Они локализованы, как правило, в некодирующих районах ДНК. Блоки СА-повторов имеют менделевское наследование в семьях и не обнаруживают новых мутаций (рис. 9.20). Немаловажным положительным фактором является относительная простота обнаружения таких повторов в геноме человека. Кроме СА-повторов, достаточно распространены GA-повторы и другие кластеры тандемных повторов (ТТТА)хп, (TCTA)xn, (TTTC)xn, также обнаруживающие вариабельность по числу повторов. Широкая распростра-ненность в геноме (частота различных микросателлитов, взятых вместе, составляет 1 на 6000 пар нуклеотидов) и высокий уровень полиморфизма делают микро- и мини-сателлиты идеальными полиморфными маркерами для картирования генов наследственных заболеваний и проведения косвенной ДНК-диагностики.Полиморфные ДНК-маркеры и интегральная карта их расположения позволяют определить и проследить в поколениях хромосому, несущую патологический ген, а также подробнейшим образом охарактеризовать определенный хромосомный район, выявить субмикроскопические перестройки, определить наименьший район их перекрывания и локализовать ген-кандидат, ответственный за заболевание.
|
Основной недостаток косвенных методов диагностики - обязательное предварительное изучение генотипа (гаплотипа) хотя бы одного пораженного родственника. В случае отсутствия пораженныхродственников, доступных для обследования, диагностика (за редким исключением) становится невозможной.Итак, существует достаточно много молекулярно-генетических методов диагностики наследственных болезней. Эти методы оказались настолько универсальными, что нашли применение не только в медицинской генетике, но и диагностике инфекционных заболеваний. Каждый из представленных в табл. 9.4 методов имеет много вариантов. Одни и те же болезни можно диагностировать разными методами. Можно диагностировать болезнь даже в трудных случаях (невозможность обследования родителей, малое количество биологического материала, отсутствие сведений о гене и т.д.).
Вопрос 129.
Псевдогены.
Краткий обзор:
Псевдогены (англ. pseudogenes) — нефункциональные аналоги структурных генов, утратившие способность кодировать белок и не экспрессирующиеся в клетке. Псевдогены - это неработающие, "молчащие" гены, которые возникают в результате мутаций, выводящих нормальные "рабочие" гены из строя (существуют и другие, более редкие пути возникновения псевдогенов).
Полный ответ:
Если мутация выведет из строя ген, полезный для организма, она почти наверняка будет отсеяна отбором. Однако некоторые гены, в прошлом полезные, могут стать ненужными, например, из-за смены образа жизни. Мутация, выводящая из строя такой ген, не отсеивается отбором и может закрепиться в популяции.
Мутация, выводящая из строя такой ген, не отсеивается отбором и может закрепиться в популяции. Псевдогены могут долго сохраняться в геноме в качестве ненужного "балласта". Мутации, которые в дальнейшем будут происходить в псевдогене, безразличны для выживания организма, и поэтому такие мутации свободно накапливаются и в конце концов могут изменить псевдоген до неузнаваемости. Однако на это уходит обычно много времени (десятки или даже сотни миллионов лет). Поэтому в геномах большинства организмов, включая человека, псевдогены на той или иной стадии мутационной деградации присутствуют в больших количествах. Псевдогены представляют собой своеобразную "историческую хронику", рассказывающую об образе жизни и адаптациях далеких предков изучаемого организма.
Например, в геноме человека в псевдогены превратились многие гены обонятельных рецепторов. Это и понятно, поскольку обоняние не имело существенного значения для выживания людей в историческое время, и, по-видимому, в доисторическое тоже.
Некоторые псевдогены могут копироваться из мРНК и включаться в хромосомы, такие последовательности называются процессированными псевдогенами (ретропсевдогенами)Тем не менее, они также нефункциональны. Псевдогены происходят от обычных функциональных генов, однако утрачивают способность экспрессии в результате мутаций (появление стоп-кодонов, сдвиг рамки считывания и т. п.).Число процессированных псевдогенов (ретропсевдогенов) в среднем больше, чем предковых функциональных генов.
Анализ генетической последовательности псевдогенов и сравнение их с предковыми генами может быть использовано при изучении родственных связей между различными видами живых существ и их происхождения[3].
Примеры:
Ярким доказательством эволюции является присутствие одинаковых псевдогенов в одних и тех же местах генома у видов, произошедших сравнительно недавно от общего предка. Так, у человека есть псевдоген GULO, который представляет собой "сломанный" ген ферментаглюконо-лактон-оксидазы. Этот фермент необходим для синтеза аскорбиновой кислоты. У других приматов обнаружен точно такой же псевдоген, причем мутационная "поломка", нарушившая работу гена, у него такая же, как и в человеческом псевдогене. Причины очевидны: в связи с переходом предков современных приматов к питанию растительной пищей, богатой витамином C, данный ген перестал быть необходимым для выживания. Мутация, испортившая ген, не была отсеяна отбором, закрепилась и была унаследована обезьянами и человеком. У других млекопитающих (например, у крысы) GULO является не псевдогеном, а работающим геном, и поэтому крысам не нужно получать витамин C с пищей: они синтезируют его сами. В других группах млекопитающих, которые независимо от приматов перешли к питанию пищей, богатой витамином С, тоже произошла псевдогенизация гена GULO, но мутации, выведшие ген из строя, у них были другие (пример - морские свинки).
Вопрос 130.
Тандемные повторы. Их роль в ДНК – диагностики
Краткий обзор:
Тандемные повторы- последовательности повторяющехся фрагментов ДНК.
Полный ответ:
В зависемости от размреа подразделяются на три класса:
1-Сателлиты
Длина последовательности высокоповторяющехся сателлитов состовляют от 100 до 1 миллиона нуклеотидов. Длина одного повтора составляет 171 пару оснований, а весь повторяющийся регион занимает около 3—5 % размеров каждой хромосомы
2-Минисателлиты
Минисателиты – повторяющие фрагменты ДНК длиной от 7 до 100 нуклеотидов. Они встречаются более чем в 1000 местах генома человека.
3-Микросателлиты – повторяющие фрагменты ДНК длиной от 1 до 6 оснований.
Тандемные повторы играют важнейшую роль в самом существовании хромосом. Любая хромосома должна быть отграничена от остального генетического материала (это обеспечивается уникальными свойствами теломерной ДНК) и должна нормально наследоваться, правильно «растаскиваться», при делении клетки (центромерная ДНК). Без клонированных теломерных и центромерных участков невозможно и создание искусственных хромосом, необходимых для манипуляций с генами.