био вопросы 4 тема. Открытие днк и доказательства ее генетической роли
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
19 Эу- и гетерохроматин, их биологическое значение. Следует особо подчеркнуть, что в интерфазном ядре хромосомы не различимы, а воспринимаются все вместе как хроматин. Выделяют эу- и гетерохроматин. Гетерохроматин– сильно спирализованные и функционально неактивные участки хромосом. Гетерохроматин локализован преимущественно на периферии ядра и прилежит к ядерной оболочке. Эухроматин – функционально активные, практически деконденсированные участки хромосом. Различают конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин. Конститутивный гетерохроматин содержится в околоцентромерных и теломерных участках всех хромосом, а также на протяжении некоторых внутренних фрагментов отдельных хромосом. Он образован только нетранскрибируемой ДНК. Вероятно, его роль заключается в поддержании общей структуры ядра , прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном узнавании гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии в процессах регуляции их активности. Примером факультативного гетерохроматина служит тельце полового хроматина, образуемое в норме в клетках организмов гомогаметного пола (у человека гомогаметным является женский пол) одной из двух Х-хромосом. Гены этой хромосомы не транскрибируются. Образование факультативного гетерохроматина за счет генетического материала других хромосом сопровождает процесс клеточной дифференцировки и служит механизмом выключения из активной функции групп генов, транскрипция которых не требуется в клетках данной специализации. В связи с этим рисунок хроматина ядер клеток из разных тканей и органов на гистологических препаратах различается. Примером может служить гетерохроматизация хроматина в ядрах зрелых эритроцитов птиц. 20. Хроматин и хромосома являются двумя типами структур двойной спирали ДНК, появляющимися на разных стадиях клетки. Двойная цепь ДНК, которая хранит генетическую информацию клетки, должна быть упакована в эукариотическое ядро для существования. Хроматин – это обычная форма упакованной ДНК в клетке. Хромосома появляется в метафазе ядерного деления. Главное отличие между хроматином и хромосомой является то, что хроматин состоит из неразделенной конденсированной структуры ДНК с целью упаковки в ядро, тогда как хромосома состоит из высшей конденсированной структуры двойной спирали ДНК для правильного разделения генетического материала между дочерними клетками. Хроматина: Молекулы ДНК в геноме упакованы гистонами, образующими хроматин. Хромосома: Высшая упакованная структура ДНК появляется в метафазе клеточного деления. Период Хроматина: Хроматин появляется в интерфазе клеточного цикла. Хромосома: Хромосомы появляются во время метафазы и существуют в анафазе ядерного деления. Состав Хроматина: Хроматин состоит из нуклеосом. Хромосома: Хромосомы конденсируются в хроматиновые волокна. Condensity Хроматина: Хроматин конденсируется в 50 раз по сравнению с нормальной двойной спиралью ДНК. Хромосома: Хромосомы сгущаются в 10000 раз больше, чем обычная двойная спираль ДНК. Внешность Хроматина: Хроматиновые волокна представляют собой тонкие, длинные, незакрученные структуры. Хромосома: Хромосомы представляют собой толстые, компактные, лентообразные структуры. Пары Хроматина: Хроматин представляет собой одиночные непарные волокна. Хромосома: Хромосома существует в виде пары. Функция Хроматина: Хроматин позволяет упаковывать генетический материал в ядро, регулируя экспрессию генов. Хромосома: Хромосомы обеспечивают правильное расположение генетического материала в клеточном экваторе, чтобы обеспечить равное разделение генетического материала между двумя клетками. Метаболическая активность Хроматина: Хроматин обеспечивает репликацию ДНК, экспрессию генов и рекомбинацию. Хромосома: Хромосомы не проявляют метаболической активности. 21-22 Понятие о кариотипе (определение). Общая характеристика кариотипа человека. Число хромосом видоспецифично. Систематизированный набор хромосом единичной соматической клетки, представленный в графическом виде называют кариотипом. Нормальный кариотип человека включает46 хромосом, из них 22 пары аутосом и 1 пара половых хромосом. В1960 г. Была разработана первая международная классификация хромосом человека (Денверская). В соответствии с этой классификацией все хромосомы человека в зависимости от размера хромосомы и положения центромеры были разделены на7 групп (A,B,C,D,E,F,G). После открытия методов дифференциальной окраски хромосом, позволявших установить положение хромосомы внутри группы, в1971 г. Принята унифицированная система идентификации хромосом (Парижская классификация) кодирующей ДНК уменьшается. Например, у человека кодирующая часть ДНК составляет всего 1,1-1,4% от длины тотальной ДНК, у дрозофилы доля кодирующих последовательностей– 20%, у дрожжей– 70%, а у бактерий– 86%. Эта избыточность генома эукариот объясняется существованием нуклеотидных последовательностей разной степени повторяемости. Все они либо сконцентрированы в определенных местах генома и образуют так называемый структурный (конститутивный) хроматин, либо более или менее равномерно распределены вдоль всего генома. Кариотип – диплоидный набор хромосом в ядре соматической клетки человека. Кариотип характеризуется: - числом хромосом; - парностью хромосом; - размером хромосом; - расположением центромеры (формой); - линейной неоднородностью участков по длине хромосомы (эу- и гетерохрома- тиновых участков (при дифокраске). Кариотип – генетический критерий вида. 23 Денверская (1960) и Парижская (1971) классификации хромосом человека: основные принципы и сущность. Денверская классификация хромосом человека (1960 год). Согласно этой системе, 22 пары аутосом были перенумерованы от 1 до 22-й в порядке уменьшения их длины, пара половых хромосом обозначена символами Х и У. Кариотип мужчины - ХУ, женщины - ХХ. 22 пары аутосом разделены на семь групп, обозначаемых буквами от А до G. Каждая группа хромосом характеризуется следующими особенностями: 24. Особенноси организации генома эукариот Надмолекулярная организация Ядерная ДНК генома человека имеет линейную структуру и заключена в 23 парах хромосом. Хромосома – нуклеопротеидный комплекс, состоящий из молекулы ДНК (40%), гистоновых (основных) белков (40% - 5 фракций) и негистоновых (кислых) белков (20%, более 100 фракций). В клеточном цикле происходят закономерные изменения структуры хромосом – их спирализация и деспирали-зация. В интерфазе хромосомы деспирализованы. Это по-зволяет считывать с них генетическую информацию и осуществлять репликацию ДНК. В митотическом периоде хромосомы спирализованы. Этим достигается их равномерное распределение (сегрегация) между дочерними клетками. Главная количественная особенность генетического материала эукариот – наличие избыточной ДНК. Этот факт легко выявляется при анализе отношения числа генов к количеству ДНК в геноме бактерий и млекопитающих. Если средний размер гена бактерий 1500 пар нуклеотидов (п.н.), а длина кольцевой молекулы ДНК хромосомы Е. coli и В. subtilis составляет свыше 1 мм, то в такой хромосоме могут разместиться около 3 тысяч генов. Примерно такое число генов было экспериментально определено у бактерий по числу типов иРНК. Если это число умножить на средний размер гена, то получится, что около 95% генома бактерий состоит из кодирующих (генных) последовательностей. Остальные 5%, по-видимому, заняты регуляторными элементами. Иная картина наблюдается у эукариотических организмов. Например, у человека насчитывают приблизительно 50 тысяч генов (имеется в виду только суммарная длина кодирующих участков ДНК – экзонов). В то же время размер генома человека 3×109 (три миллиарда) п.н. Это означает, что кодирующая часть его генома составляет всего 15…20 % от тотальной ДНК. Существует значительное число видов, геном которых в десятки раз больше генома человека, например некоторые рыбы, хвостатые амфибии, лилейные. Избыточная ДНК характерна для всех эукариот. В этой связи необходимо подчеркнуть неоднозначность терминов генотип и геном. Под генотипом следует понимать совокупность генов, имеющих фенотипическое проявление, тогда как понятие генома обозначает количество ДНК, находящееся в гаплоидном наборе хромосом данного вида 25. Проект «Геном человека» Геном человека — совокупность наследственного материала, заключенного в его в соматической (диплоидной) клетке. Человеческий геном состоит из ДНК 23-х пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК (мДНК). Он содержат примерно из 3,1 млрд пар нукле-отидов (около 6 пикограмм ДНК) , Только 2% нуклеотидных последовательностей ДНК это гены, определяющие видовые признаки человека, а также тРНК и рРНК. Таким образом, число генов в геноме чело-впека насчитывает 28 000 – 30 000. 98% нуклеотидных последовательностей ДНК генома человека не несут видоспецифичной информа-ции, т.е. являются некодирующими. Проект Человеческий Геном (англ. The Human Genome Project, HGP) — международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК, и идентифицировать 20—25 тыс. генов в человеческом геноме[1]. Этот проект называют крупнейшим международным сотрудничеством, когда-либо проводившимся в биологии[2]. Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном — в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Частной компанией Celera Corporation был запущен аналогичный параллельный проект, завершённый несколько ранее международного. Основной объём секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Кроме очевидной фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения. Хотя целью проекта по расшифровке генома человека является понимание строения генома человеческого вида, проект также фокусировался и на нескольких других организмах, среди которых бактерии, в частности, Escherichia coli, насекомые, такие как мушка дрозофила, и млекопитающие, например, мышь. Изначально планировалось определение последовательности более трёх миллиардов нуклеотидов, содержащихся в гаплоидном человеческом геноме. Затем несколько групп объявили о попытке расширить задачу до секвенирования диплоидного генома человека, среди них международный проект HapMap (англ.), «Applied Biosystems», «Perlegen», «Illumina», «JCVI», «Personal Genome Project» и «Roche-454». Геном любого отдельно взятого организма (исключая однояйцевых близнецов и клонированных животных) уникален, поэтому определение последовательности человеческого генома в принципе должно включать в себя и секвенирование многочисленных вариаций каждого гена. Однако, в задачи проекта «Геном человека» не входило определение последовательности всей ДНК, находящейся в человеческих клетках; а некоторые гетерохроматиновые области (в общей сложности около 8 %) остаются несеквенированными до сих пор. 26. Эволюция генома Эволюция прокариотического генома По мере совершенствования и повышения надежности главных механизмов потока информации значение избыточной ДНК в повышении выживаемости организмов снижалась. В такой ситуации одним из возможных направлений изменения генома было уменьшение его размеров за счет утраты некодирующих нуклеотидных последовательностей. Именно так можно представить эволюционный путь, пройденный геномом современных прокариот. Одновременно в качестве механизмов, поддерживающих выживаемость этих форм, в историческом развитии закреплялось свойственное им короткое время генерации, т.е. интенсивное размножение и быстрая смена поколений (кишечная палочка делится каждые 20 мин). Перечисленные особенности хорошо сочетаются с гаплоидностью прокариот, что приводит к воспроизведению в фенотипе любой мутации. Экспрессия 95% ДНК, относительно малые размеры генома, гаплоидность, проявление в фенотипе практически каждой мутации в сочетании с коротким временем генерации обусловливают высокую приспособленность. Вместе с тем для прокариотического типа организации не свойственны обширные и разнообразные изменения структуры. Вследствие этого описанное направление эволюции, обеспечивая высокую способность к выживанию (прокариоты существуют на Земле около 3,5 млрд. лет), является тупиковым в плане прогрессивной эволюции живых существ. Эволюция эукариотического генома В отличие от изменений прокариотического генома преобразования генома в эволюции эукариот связаны с нарастающим увеличением количества ДНК. Это увеличение наблюдается в процессе прогрессивной эволюции эукариот . На фоне такого увеличения большая часть ДНК является «молчащей», т.е. не кодирует аминокислот в белках или последовательностей нуклеотидов в рРНК и тРНК. Даже в пределах одного гена молчащие (интроны) и кодирующие (экзоны) участки могут перемежаться. В составе ДНК обнаруживаются высоко и умеренно повторяющиеся последовательности. Вся масса ДНК распределена между определенным числом специализированных структур — хромосом. Хромосомы в отличие от нуклеоида прокариот имеют сложную химическую организацию. Эукариоты в большинстве случаев диплоидны. Время генерации у них значительно больше, чем у прокариот. Отмечаемые особенности, оформившиеся в ходе эволюции генома эукариот, допускают широкие структурные изменения и обеспечивают не только адаптивную (приспособительную), но и прогрессивную эволюцию. Среди перечисленных выше моментов увеличение размеров генома в эволюции эукариот привлекает особое внимание. Этот процесс может осуществляться различными способами. Наиболее резко размер генома изменяется в результате полиплоидизации, которая достаточно широко распространена в природе. Она заключается в увеличении количества ДНК и хромосом, кратном гаплоидному. Достигаемое в результате состояние полиплоидии приводит к увеличению дозы всех генов и создает избыток «сырого» генетического материала, который впоследствии видоизменяется в результате мутаций и отбора. По-видимому, в ходе эволюции в результате накопления мутаций и дивергенции нуклеотидных последовательностей полиплоидизация сопровождалась переходом к диплоидному состоянию. Само по себе увеличение дозы генов еще не означает достижения однозначно положительного биологического результата. Об этом свидетельствует развитие в эволюции эукариот механизмов компенсации возрастающей дозы генов в ходе их экспрессии путем сокращения времени жизни в клетках зрелой РНК. Так, у тетраплоидных карповых рыб в ответ на увеличение дозы генов рРНК в молекулах рРНК соматических клеток возникают скрытые внутренние разрывы, которые приводят к преждевременному их старению и сокращению содержания в цитоплазме. |