biotechnology 2012-07

Строение гена

ГЕН

• 1909г Иогансен

Ген - определенные условия, основы и детерминанты,

присутствующие в гаметах, являющиеся уникальными и самостоятельными, и поэтому независимыми путями определяющие многие характеристики организма

• 1900-еГен – дискретная единица наследственности (законы Менделя)Один ген = один признак

НО!Плейотропия – множественное действие генаВзаимодействие генов

• 1910-еГен – отдельный локус

Хромосомная теория наследственности

Ген = единица рекомбинации

Ген = единица рекомбинации(Рекон)

НО!

• 1940-еГен – чертеж белка

Один ген = один фермент → один ген = один полипептид

• 1950-еГен - физическая молекулаДНК – носитель генетической информацииЦистрон - участок ДНК, отвечающий за единичную функцию (Benzer 1955)

• 1960-еГен – транскрибируемый код

Центральная догма молекулярной биологии(F.Crick, 1958, 1970)

DNA

RNA Protein

Ген = единица транскрипции

• 1970-1980-еГен – открытая рамка считывания (open readingframe – ORF) части последовательности.Возможность предсказания генов

• 1990-2000-еГен – аннотированная структурная единица генома, зарегистрированная в одной из баз данных

Гены прокариот

Транскрипция прокариот

Бактериальный промотор

Регуляторные элементы

Регуляторные элементы

Регуляция инициации транскрипции у прокариот

гашение

Регуляторные элементы

Опероны бактерий

1. Промотор

2. Оператор

3. Структурные гены

4. Терминатор транскрипции

+ Ген-регулятор

Триптофановый оперон

х 70

Аттенюация trp оперона

Лактозный оперон

• lacZ кодирует фермент β-галактозидазу, которая расщепляет дисахаридлактозу на глюкозу и галактозу.• lacY кодирует β-галактозид пермеазу, мембранный транспортный белок,который переносит лактозу внутрь клетки.• lacA кодирует β-галактозид трансацетилазу, фермент, переносящийацетильную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.

• lacI – репрессор

CAP (Catabolite Activator Protein) – активатор

Лактозный оперон

Геном бактерии Escherichia coli

Гены эукариот

Эукариотический ген и этапы экспрессии

Интрон-экзонная структура

Интроны• В более развитых организмах встречаются чаще

• Чем более развит организм, тем:

– больше генов с интронами

– интроны больше по размеру

• Практически все гены человека содержат интроны(гены гистонов без интронов)

Пример экспрессии гена

Размеры генов человека

Ген инсулина- один из самых маленьких генов человека

Ген дистрофина- самый большой ген человека

Один ген – более чем один белок

• ENCODE pilot project – 2608 транскриптов в 487 локусах

Механизмы

• Альтернативные промоторы

• Альтернативный сплайсинг

• Редактирование РНК

• Комплексные перестройки ДНК (созревание В лимфоцитов)

• Посттрансляционные модификации белков

Альтернативный промотор

Как минимум половина генов млекопитающих имеют более одного промотора

ENCODE pilot project – 273 гена с альтернативными промоторами в 399 генах

Альтернативный промотры гена дистрофина

С – corticalM – muscleP – Purkinje cellsR – retinalCNS – central nervous systemS – Schwann cellsG - general

Альтернативный сплайсинг

Типы альтернативного сплайсинга

А – пропуск интронаВ – альтернативный донорныйсайтС – альтернативный акцепторный сайтD – пропуск экзонаЕ – альтернативный экзон

Альтернативный сплайсинг гена NRXN3

2 альтернативных промотора24 экзона

Экзоны:3, 4, 5, 12 – могут быть включены в мРНК или пропущены7 – два альтернативных акцепторных сайта, может быть пропущен22 – два альтернативных донорных сайта23 – два альтернативных акцепторных сайта с разными рамками считывания, в одной из которых стоп-кодон24 – три альтернативных акцепторных сайта

Более 1000 разных белков

Транссплайсинг

RNA editing

• C → U

• A → I

• U → CADAR

Инозин образует связь с тимином

Созревание В лимфоцитов

• VDJ рекомбинация (65 генов V, 27 генов D, 6 генов J)• Переключение классов антител

СозреваниеВ лимфоцитов

Созревание В лимфоцитов

Посттрансляционныемодификации белков

Регуляторные элементы генов эукариот

Cis-regulatory elements (CRE)• CRE отвечают за экспрессию генов в определенных тканях и/или вопределенное время• Новые CRE → новые функции гена

Промотор эукариот

Регуляторный элемент

ПоследовательностьОбщий

транскрипционный фактор

BRE G/C G/C G/A C G C C TFIIB

TATA T A T A A/T A A/T TBP

INR C/T C/T A N T/A C/T C/T TFIID

DPE A/G G A/T C G T G TFIID

BRE - B recognition elementINR - initiator elementDPE - downstream promoter element

Энхансеры и сайленсеры

- участки связывания активаторов и репрессоров

•Энхансер + активатор = ативация транскрипцииСайленсер + репрессор = подавление транскрипции• Не зависят от ориентации• Могут находиться на значительном расстоянии от промотора

Регуляторная область гена

Инсуляторы

- ограничивают влияние энхансеров и сайленсеров на экспрессию других генов

Петлевая модель

LCR – locus control region

MAR – matrix-attachment region = инсулятор

Регуляция рецептора трансферрина

Ген эукариот

Некодирующая РНК (ncRNA)

• tRNA

• rRNA

• small RNA: snoRNA, miRNA, siRNA, snRNA, piRNA…

• long ncRNA

Доля некодирующей ДНК в геноме

Гены вирусов

ГЕН• 1900-е Ген – дискретная единица наследственности

(законы Менделя)Один ген = один признак1910-е Ген – отдельный локус (Хромосомная теория наследственности)

• 1940-е Ген – чертеж белкаОдин ген = один фермент → один ген = один полипептид

• 1950-е Ген – физическая молекула1960-е Ген – транскрибируемый кодЦентральная догма молекулярной биологии

• 1970-1980-е Ген – открытая рамка считывания (openreading frame – ORF) части последовательности

• 1990-2000-е Ген – аннотированная структурная единица генома, зарегистрированная в одной из баз данных

Ген – это совокупность геномных последовательностей, кодирующих сцепленный набор потенциально перекрывающихся функциональных продуктов