Σύγχρονες ιδέες για το γονίδιο. Σύγχρονες ιδέες για το ανθρώπινο γονιδίωμα, η μελέτη του Σύγχρονες ιδέες για τη μοριακή οργάνωση του γονιδιώματος

Γονίδιο, ή κληρονομικός παράγοντας, - Αυτό ένα τμήμα ενός μορίου DNA (σε πολλούς ιούς RNA) που κωδικοποιεί την πρωτογενή δομή ενός μορίου πολυπεπτιδίου, μεταφοράς ή ριβοσωμικού RNA.

Ο συνολικός αριθμός γονιδίων στο κύτταρο των ανώτερων οργανισμών, σύμφωνα με διάφορες εκτιμήσεις, είναι 50-200 χιλιάδες Κάθε δομικό γονίδιο αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Τα γονίδια που κωδικοποιούν την πρωτεϊνική σύνθεση στους ευκαρυώτες αποτελούνται από διάφορα στοιχεία.

Πρώτα απ 'όλα, αυτή είναι μια ρυθμιστική ζώνη (περιοχή), η οποία επηρεάζει τη δραστηριότητα του γονιδίου μέσα διαφορετικές περιόδουςζωή του οργανισμού. Ο ρυθμιστικός τομέας περιλαμβάνει υποστηρικτής- μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων DNA μήκους έως 80-100 ζεύγη βάσεων, η οποία αναγνωρίζεται από το μόριο του ενζύμου πολυμεράσης RNA και συνδυάζεται με αυτό για να ξεκινήσει η μεταγραφή ενός δεδομένου γονιδίου. Σε αυτή την περίπτωση, ο υποκινητής καθορίζει ποιος από τους κλώνους της διπλής έλικας του DNA θα προσκολληθεί στην RNA πολυμεράση και ως εκ τούτου θα χρησιμεύσει ως πρότυπο για τη σύνθεση του mRNA.

Σε προκαρυώτες, που βρίσκονται πίσω από τον υποκινητή χειριστής- ένα τμήμα DNA που «αναγνωρίζεται» από συγκεκριμένες πρωτεΐνες καταστολέα και ρυθμίζει τη μεταγραφή μεμονωμένων γονιδίων. Ο χειριστής και τα δομικά γονίδια που ελέγχονται από αυτόν σχηματίζουν μαζί μια λειτουργική μονάδα που ονομάζεται οπερόνιο.

Επιπλέον, βρέθηκαν περιοχές στα χρωμοσώματα - ενισχυτές μεταγραφής, που βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από την κωδικεύουσα νουκλεοτιδική αλληλουχία του γονιδίου και του προαγωγέα του. Για κανονική λειτουργίαΟι γονιδιακές περιοχές που βρίσκονται στο τέλος της κωδικεύουσας αλληλουχίας και χρησιμεύουν ως σήμα για τη διακοπή της μεταγραφής είναι επίσης πολύ σημαντικές. Καλούνται τερματιστές.

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των γονιδίων των ευκαρυωτικών οργανισμών είναι η ασυνέχειά τους. Σε αντίθεση με το προκαρυωτικό mRNA, το οποίο περιλαμβάνει ολόκληρη την νουκλεοτιδική αλληλουχία ενός δομικού γονιδίου, το ευκαρυωτικό mRNA περιέχει κωδικοποιητικές περιοχές - εξόνια - που εναλλάσσονται με μη κωδικοποιητικές - εσώνια. Τα ιντρόνια ποικίλλουν σε μέγεθος από μερικές μονάδες έως αρκετές χιλιάδες ζεύγη νουκλεοτιδίων. Επιπλέον, το μήκος τους μπορεί να είναι μεγαλύτερο από το μήκος των εξονίων και ο αριθμός των εσωνίων στο γονίδιο μπορεί να φτάσει δύο έως τρεις δωδεκάδες.

Μετά την ολοκλήρωση της μεταγραφής από ένα μόριο mRNA που περιέχει εξόνια και ιντρόνια, τα τελευταία αποκόπτονται από ένζυμα κατά τη διάρκεια επεξεργασία. Στη συνέχεια, οι περιοχές κωδικοποίησης των εξονίων συντήκονται σε ένα μόνο μόριο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μάτισμα RNA. Τα εξόνια συνδυάζονται σε ένα μεταφρασμένο μόριο mRNA με την ίδια σειρά με την οποία βρίσκονται στο DNA. Το mRNA που μετατρέπεται έτσι ονομάζεται ώριμο mRNA.

Η γονιδιακή δομή των ιών αντανακλά τη γενετική οργάνωση του κυττάρου ξενιστή. Έτσι, τα γονίδια των βακτηριοφάγων συναρμολογούνται σε rperons και δεν έχουν εσώνια, ενώ οι ευκαρυωτικοί ιοί τα έχουν.

Γονίδιο - ένα θραύσμα ενός μορίου DNA που περιέχει κληρονομικές πληροφορίες σχετικά με την πρωτογενή δομή μιας πρωτεΐνης (πολυπεπτίδιο, ένζυμο) ή την αλληλουχία νουκλεοτιδίων ενός t-RNA ή r-RNA

· Είναι μια μονάδα λειτουργίας κληρονομικού υλικού που καθορίζει την ανάπτυξη ενός χαρακτηριστικού (πιθανώς μιας ομάδας χαρακτηριστικών) ή των ιδιοτήτων ενός οργανισμού (στοιχειώδης δομική και λειτουργική μονάδα ενός χρωμοσώματος)

Το κύριο προϊόν της γονιδιακής λειτουργίας είναι το mRNA και στη συνέχεια το πρωτεϊνικό ένζυμο (πολυπεπτίδιο) ή το r-RNA και το t-RNA

Τρέχουσα κατάσταση της γονιδιακής θεωρίας (γονιδιακές ιδιότητες)

1. Ενεργεί ως σύστημα κωδικοποίησης

2. Έχει την ικανότητα αυτοαναπαραγωγή (αντιγραφή)

3. Έχει την ικανότητα να μεταλλάξεις(η στοιχειώδης μονάδα γονιδιακής μετάλλαξης είναι Mouton)

4. Έχει την ικανότητα να ανασυνδυασμός(η στοιχειώδης μονάδα ανασυνδυασμού γονιδίων είναι αναγν)

5. Κατέχει διακριτή δράση

6. Υπάρχουν δομικά, λειτουργικά, ρυθμιστικά και ρυθμιστικά γονίδια

7. Καταλαμβάνει ένα ορισμένο μέρος του χρωμοσώματος – τόπος

Γονιδιακή δομή

Το γενετικό υλικό μέσα σε ένα γονίδιο είναι πολύπλοκα οργανωμένο και έχει γραμμική τάξη

Ένα γονίδιο αποτελείται από πολλές θέσεις μετάλλαξης ( τοποθεσίες) διαχωρίζονται κατά τον ανασυνδυασμό

Σίστρον - το μικρότερο τμήμα DNA (800-1200 ζεύγη βάσεων), η μετάλλαξη του οποίου συνοδεύεται από την εμφάνιση ενός μεταλλαγμένου φαινοτύπου - στοιχειώδες λειτουργική μονάδα ενός γονιδίου (καθορίζει τη σύνθεση ενός πολυπεπτιδίου)

· Ένα γονίδιο στους ευκαρυώτες αποτελείται από πολλά βασικά στοιχεία:

n ρυθμιστική ζώνη - ρυθμίζει τη γονιδιακή δραστηριότητα σε έναν συγκεκριμένο ιστό σε ένα ορισμένο στάδιο της οντογένεσης

n υποστηρικτής - μια αλληλουχία DNA έως και 80-100 ζευγών νουκλεοτιδίων, υπεύθυνη για τη σύνδεση της RNA πολυμεράσης που μεταγράφει ένα δεδομένο γονίδιο

n δομική ζώνη - μέρος ενός γονιδίου που περιέχει πληροφορίες σχετικά με την πρωτογενή δομή της αντίστοιχης ενζυμικής πρωτεΐνης (ουσιαστικά μικρότερη από τη ρυθμιστική ζώνη, αλλά αρκετές χιλιάδες ζεύγη νουκλεοτιδίων)

n Τελειωτής - μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων στο τέλος ενός γονιδίου που σταματά τη μεταγραφή

Το δομικό μέρος του γονιδίου αποτελείται από δύο τύπους αλληλουχιών νουκλεοτιδίων:

1. Εξόνια - τμήματα DNA που μεταφέρουν πληροφορίες σχετικά με τη δομή της πρωτεΐνης (μέρος του ώριμου mRNA)

2. Εσώνια - Τμήματα DNA που δεν κωδικοποιούν δομή πρωτεΐνης (μεταγράφονται, αλλά δεν περιλαμβάνονται στο ώριμο mRNA, επειδή «κόβονται» στη διαδικασία μάτισμα)

Συναρμολόγηση- ενζυματική διαδικασία εκτομής ιντρονίων από μόριο RNA και μάτισμα εξονίων κατά τον σχηματισμό ώριμου mRNA

Ταξινόμηση γονιδίων

1. Δομικά γονίδια - γονίδια που κωδικοποιούν την ανάπτυξη συγκεκριμένων χαρακτηριστικών(το προϊόν της πρωτογενούς γονιδιακής δραστηριότητας είναι είτε mRNA και στη συνέχεια πολυπεπτίδιο, είτε r-RNA και t-RNA)

2. Τροποποιητικά γονίδια - γονίδια που μετατοπίζουν την ανάπτυξη ενός χαρακτηριστικού προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση(για παράδειγμα, η συχνότητα των μεταλλάξεων των δομικών γονιδίων). μπορεί να είναι αναστολείςή καταστολείς,καταστολή της δραστηριότητας ή ενισχυτές- αύξηση της γονιδιακής δραστηριότητας

3. Ρυθμιστές γονιδίων - γονίδια ρύθμιση της δραστηριότητας των δομικών γονιδίων(χρόνος ένταξης διαφόρων τόπων στην οντογένεση)

Γονότυπος - το σύνολο όλων των αλληλόμορφων (γονιδίων) ενός οργανισμού που λαμβάνονται από τους γονείς (ολόκληρο το σύνολο των κληρονομικών πληροφοριών του οργανισμού). σύνολο γονιδίων του διπλοειδούς συνόλου χρωμοσωμάτων ενός κυττάρου

n ο γονότυπος, όντας διακριτός (αποτελούμενος από μεμονωμένα γονίδια), λειτουργεί ως ενιαίο σύνολο

Γονιδίωμα - ένα σύνολο γονιδίων που περιέχονται στο απλοειδές σύνολο χρωμοσωμάτων ενός κυττάρου

Φαινότυπος - το σύνολο όλων των εσωτερικών και εξωτερικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων ενός ατόμου, που σχηματίζονται με βάση τον γονότυπο κατά τη διαδικασία της οντογένεσής του, δηλαδή το πραγματοποιημένο μέρος του γονότυπου

· αναπτύσσεται μέσω της αλληλεπίδρασης του γονότυπου με το περιβάλλον· μπορεί να ποικίλλει σχετικά πολύ σε ένα άτομο) και

Έννοια του αλληλόμορφου

Τα περισσότερα γονίδια υπάρχουν σε έναν πληθυσμό ως δύο ή περισσότερες εναλλακτικές παραλλαγές - αλληλόμορφα

Αλληλόμορφο - διαφορετικές μορφές του ίδιου γονιδίου (χαρακτηριστικό), που βρίσκονται στις ίδιες περιοχές (loci) ομόλογα χρωμοσώματα(καθορίστε εναλλακτικές επιλογές ανάπτυξης για το ίδιο χαρακτηριστικό

· Όλα τα αλληλόμορφα ενός δεδομένου χαρακτηριστικού (γονιδίου) εντοπίζονται στο ίδιο χρωμόσωμα σε ένα συγκεκριμένο τμήμα του - τόπος(ο αντίστοιχος χρωμοσωμικός τόπος μπορεί να περιέχει μόνο ένα από όλα τα πιθανά αλληλόμορφα ενός συγκεκριμένου γονιδίου)

Τόπος - τμήμα (τμήμα) του χρωμοσώματος στο οποίο εντοπίζεται το γονίδιο

· Νέα αλληλόμορφα προκύπτουν μέσω μεταλλάξεων στον ίδιο χρωμοσωμικό τόπο (δημιουργείται μια λεγόμενη σειρά από πολλαπλά αλληλόμορφα, διασκορπισμένα στον πληθυσμό ενός δεδομένου είδους - πολλαπλός αλληλισμός

Πολλαπλός αλληλισμός - το φαινόμενο της ύπαρξης σε έναν πληθυσμό περισσότερων από δύο εναλλακτικών αλληλόμορφων γονιδίων που έχουν διαφορετικές εκδηλώσεις στον φαινότυπο(για παράδειγμα, το χαρακτηριστικό του χρώματος των ματιών σε ένα άτομο έχει πολλά αλληλικά γονίδια στον πληθυσμό, εντοπισμένα σε έναν τόπο ενός συγκεκριμένου χρωμοσώματος)

· Τα αλληλόμορφα διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το περιεχόμενο των κληρονομικών πληροφοριών σχετικά με το χαρακτηριστικό, η ανάπτυξη του οποίου ελέγχεται από το γονίδιο

· Κάθε χαρακτηριστικό ενός οργανισμού αντιπροσωπεύεται στον καρυότυπο του από ένα ζεύγος αλληλόμορφων λόγω της παρουσίας ομόλογων χρωμοσωμάτων (το ένα από αυτά είναι πάντα πατρικό, το άλλο μητρικό). Ένας γαμετής μπορεί να περιέχει μόνο ένα αλληλόμορφο

Ομοζυγώτης (σε αυτή τη βάση)- ένας οργανισμός που περιέχει πανομοιότυπα γονίδια ενός δεδομένου ζεύγους αλληλόμορφων, που σχηματίζουν έναν τύπο γαμετών για ένα δεδομένο χαρακτηριστικό και δεν διασπώνται σύμφωνα με τον φαινότυπο όταν διασταυρώνονται με το δικό του είδος - AAή αχ

Ετεροζυγώτης (σε αυτή τη βάση)- ένας οργανισμός που περιέχει διαφορετικά γονίδια ενός δεδομένου ζεύγους αλληλόμορφων, σχηματίζοντας πολλές ποικιλίες γαμετών που διαφέρουν σε αλληλόμορφα και χωρίζονται σε διαφορετικούς φαινότυπους κατά την περαιτέρω αναπαραγωγή - Αχ

Κυρίαρχο αλληλόμορφο (γονίδιο, χαρακτηριστικό) – αλληλόμορφο (γονίδιο, χαρακτηριστικό) «ισχυρό», κατασταλτικό, που εκδηλώνεται πάντα στον φαινότυπο

· Η εκδήλωσή του δεν εξαρτάται από την παρουσία άλλου αλληλόμορφου μιας δεδομένης σειράς στο σώμα (πραγματοποιείται πάντα φαινοτυπικά γιατί . κωδικοποιεί μια πιο σταθερή μορφή του ενζύμου) ; συμβολίζεται με κεφαλαίο γράμμα του αλφαβήτου - ΕΝΑ

Υπολειπόμενο αλληλόμορφο (γονίδιο, χαρακτηριστικό) – αλληλόμορφο (γονίδιο, χαρακτηριστικό) "αδύναμο", κατασταλμένο, εξασφαλίζοντας την ανάπτυξη του χαρακτηριστικού μόνο απουσία άλλων αλληλόμορφων αυτού του γονιδίου

· συμβολίζεται με κεφαλαίο γράμμα του αλφαβήτου - ΕΝΑ(εμφανίζει την επίδρασή του μόνο στην ομόζωη κατάσταση - αχκαι δεν εκδηλώνεται σε ετεροζυγώτες - Αχ)

Συνεπικρατή αλληλόμορφα- τα αλληλόμορφα είναι εξίσου λειτουργικά ενεργά εάν υπάρχουν μαζί στον γονότυπο

Αλληλικές αλληλεπιδράσεις

1. Πλήρης κυριαρχία -το φαινόμενο της καταστολής της φαινοτυπικής εκδήλωσης ενός χαρακτηριστικού από ένα κυρίαρχο αλληλόμορφο (γονίδιο) της δράσης ενός εναλλακτικού αλληλόμορφου σε έναν ετερόζυγο

2. Ημιτελής κυριαρχία- αλληλεπίδραση δύο αλληλόμορφων, δίνοντας έναν ενδιάμεσο φαινότυπο σε έναν ετερόζυγο

3. Συγκυριαρχία- ανεξάρτητη εκδήλωση αλληλόμορφων σε ετερόζυγο

Μονοϋβριδικός σταυρός

Μονοϋβριδικός σταυρός- διασταύρωση γονέων που διαφέρουν ως προς την εκδήλωση ενός χαρακτηριστικού (ένα εναλλακτικό ζεύγος αλληλόμορφων)

· Ο Mendel διεξήγαγε πειράματα με μπιζέλια (ένα πολύ επιτυχημένο αντικείμενο για τη γενετική έρευνα, επειδή τα μπιζέλια έχουν πολλές ποικιλίες που διαφέρουν μόνο σε ένα, δύο ή πολλά χαρακτηριστικά, είναι ικανά να αυτογονιμοποιηθούν και να διασταυρωθούν, εκτρέφονται εύκολα και έχουν σύντομη περίοδο ανάπτυξης )

· Για διασταύρωση, δείγματα που ανήκουν σε καθαρές γραμμές, δηλαδή φυτά, κατά την αυτογονιμοποίηση των οποίων σε αρκετές γενιές δεν παρατηρήθηκε διαχωρισμός σύμφωνα με το χαρακτηριστικό που μελετήθηκε

· Για να καταγράψει τη διασταύρωση και την ανάλυσή της, ο Μέντελ εισήγαγε αλφαβητικούς συμβολισμούς

Σύγχρονες παραστάσειςσχετικά με τη γονιδιακή δομή σε ευκαρυώτες ( I.F. Zhimulev, 2000, ΒΙΟΛΟΓΙΑ) Ένα γονίδιο μπορεί να οριστεί ως μια μονάδα κληρονομικών πληροφοριών που καταλαμβάνει μια συγκεκριμένη θέση στο γονιδίωμα ή το χρωμόσωμα και ελέγχει την απόδοση μιας συγκεκριμένης λειτουργίας στο σώμα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα μελετών των προκαρυωτών, κυρίως του βακτηρίου Escherichia coli, ένα γονίδιο αποτελείται από δύο κύρια στοιχεία: ένα ρυθμιστικό τμήμα στο οποίο συνδέεται το ένζυμο RNA πολυμεράση και το πραγματικό κωδικοποιητικό τμήμα του γονιδίου, στο οποίο πληροφορίες για τη δομή του το πολυπεπτίδιο που κωδικοποιείται από αυτό το γονίδιο καταγράφεται χρησιμοποιώντας κωδικόνια. Το ρυθμιστικό μέρος δεν μεταγράφεται· το αγγελιοφόρο RNA (mRNA) διαβάζεται από το δομικό μέρος. Αφού το μόριο πολυμεράσης RNA φτάσει στη θέση τερματισμού της μεταγραφής, το ένζυμο φεύγει από το εκμαγείο DNA και τελειώνει η μεταγραφή. Οι προαγωγείς περιέχουν δύο ομάδες αλληλουχιών με μια σχετικά αυστηρά σταθερή σειρά νουκλεοτιδίων που βρίσκονται σε ορισμένες αποστάσεις τόσο από το σημείο έναρξης της μεταγραφής όσο και μεταξύ τους. Αν και πρέπει να τονιστεί ότι η μονοσήμαντη θέση των νουκλεοτιδίων (consensus) δεν φτάνει ποτέ το 100%.

Στους ευκαρυώτες, τα γονίδια, καθώς και τα γονιδιώματα (το σύνολο των γονιδίων σε ένα απλοειδές σύνολο DNA), είναι πιο πολύπλοκα. Πρώτα απ 'όλα, τα γονιδιώματα περιέχουν πολύ περισσότερο DNA· το μόριο mRNA περιέχει πληροφορίες όχι μόνο για την κωδικοποίηση πρωτεϊνών, αλλά και άλλες πληροφορίες. Η δομή των ρυθμιστικών ζωνών και των ζωνών κωδικοποίησης φαίνεται πολύ πιο περίπλοκη.

Από πού αντλούν πληροφορίες για την οργάνωση των γονιδίων στους ευκαρυώτες; Κύρια πηγή παραμένει η μέθοδος γενετικής ανάλυσης με χρήση μοριακών βιολογικών τεχνικών. Επιπλέον, επί του παρόντος αναπτύσσονται περίπου 30 λεγόμενα γονιδιωματικά έργα, για παράδειγμα, «Ανθρώπινο Γονιδίωμα», «Γονιδίωμα Drosophila», «Γονιδίωμα Μαγιάς» κ.λπ. Αυτά είναι, κατά κανόνα, καλά χρηματοδοτούμενα έργα που στοχεύουν στην πλήρη αποκρυπτογράφηση του DNA που συνθέτει το γονιδίωμα ενός συγκεκριμένου είδους. Για παράδειγμα, στο έργο Anopheles gambiae Genome, στο πρώτο στάδιο σχεδιάζεται να ληφθεί ένα πλήρες σύνολο κλώνων, δηλαδή, σύντομα τμήματα DNA, με τη σειρά με την οποία βρίσκονται στα χρωμοσώματα. Στο δεύτερο στάδιο, πρέπει να προσδιοριστεί η αλληλουχία νουκλεοτιδίων σε κάθε κλώνο και, ως εκ τούτου, σε ολόκληρο το γονιδίωμα. Η στρατηγική άλλων έργων και λεπτομέρειες εφαρμογής τους περιγράφονται στο άρθρο του V.N. Σόιφερα.

Μια τέτοια εργασία, μαζί με μια τεράστια ώθηση στην ανάπτυξη τεχνικών βιοτεχνολογίας, καθιστά δυνατό να μάθουμε πολλά για την οργάνωση τόσο των γονιδιωμάτων στο σύνολό τους όσο και των μεμονωμένων γονιδίων. Συγκεκριμένα, μπορείτε να μάθετε πόσα νουκλεοτίδια περιέχει ένα συγκεκριμένο γονιδίωμα, να προσδιορίσετε την αναλογία των κωδικών και μη τμημάτων ενός γονιδίου ή την αναλογία ιντρονίων και εξονίων εντός του κωδικοποιητικού τμήματος.

Όπως προκύπτει από τα στοιχεία του πίνακα. 1, ο αριθμός των γονιδίων ποικίλλει ευρέως - από 9 σε έναν μικρό βακτηριοφάγο)