ДНК и хромосомный механизм передачи наследственной информации

Введение

Актуальность работы. Под наследственной информацией понимают совокупность генов – материальных единиц наследственности, которая содержится в половых клетках. Передача этой информации осуществляется путем полового, бесполого и вегетативного размножения. При этом в онтогенезе реализуются признаки и свойства, которые обусловлены генотипом организма. Получая в процессе селекции животных ту или иную величину развития хозяйственно полезных признаков (например, уровень удоя, % жира и белка в молоке у коров, промеры экстерьера животных, толщина сала у свиней, яйценоскость птицы и т. п.) мы оцениваем ее фенотип, то есть реализацию генотипа.
В 1944 году американский генетик О. Эвери доказал, что носителем наследственности является дезоксиробонуклеиновая кислота (ДНК). В этот период была установлена структура молекулы ДНК.
Необходимо понять как устроена ДНК и хромосомный механизм передачи наследственной информации.
Объект исследования: ДНК и хромосомный механизм передачи наследственной информации.
Предмет исследования: особенности передачи наследственной информации через ДНК и хромосомный механизм.
Цель работы: рассмотреть ДНК и хромосомный механизм передачи наследственной информации
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть строение и типы ДНК;
- описать функции ДНК и РНК, транскрипция и трансляция;
- проанализировать хромосомный механизм передачи наследственной информации.


1. Строение и типы ДНК
ДНК – это сложная высокомолекулярная биологически активное соединение, которое является носителем генетической информации всех животных и растительных организмов, бактерий, некоторых вирусов.
Концепцию о структуре ДНК предложили в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик, которые на основе результатов химических и рентгеноструктурных исследований разработали модель двойной спирали. Каждая из нитей спирали представляет собой гетерополимер (от греческого έηεπορ – другой, часть сложных слов, означающая разнородность), который создается в результате соединения между собой большого количества нуклеотидов.
Каждый нуклеотид состоит из трех различных, связанных друг с другом частей: азотистого основания, углеводного компонента и остатка фосфорной кислоты (фосфатной группы). Различные нуклеотиды в нуклеиновых кислотах соединены друг с другом через фосфатную группу, которая все время чередуется с углеводным компонентом, а основы размещаются по бокам.
Углеводный компонент представлен дезоксирибозой (в ДНК) и рибозой (в РНК). Сахарные и фосфорные компоненты во всех нуклеиновых кислотах всегда одинаковые. Относительно основ, то их существует четыре разных типа – гуанин, цитозин, аденин, тимин.
Основания – аденин и гуанин относятся к пуринов, а цитозин и тимин – к пиримидинов. Для упрощения эти четыре основы обозначаются большими буквами кириллицей А, Ц, Г, и Т или латинскими буквами A, C, Г, T. Важно то, что в различных нуклеиновых кислотах эти четыре типа основ размещены в различной последовательности и, поскольку количество основ в каждой молекуле очень велико, из этих элементов может образоваться бесконечное количество различных нуклеиновых кислот. Биохимиком Чаргафом установлено, что в любой молекуле ДНК сумма пуринов равна сумме пиримидинов, причем количество аденина равняется тимина, количество гуанину – количества цитозину, а суммы Г + Ц и А + Т могут значительно различаться. Эти соотношения получили название правил Чаргафа. Таким образом, было установлено, что азотистые основы взаимодействуют между собой по принципу взаимодополнения (имеющего в молекулярной биологии название – комплементарность). Пуриновые и пиримидиновые азотистые основы, будучи комплементарными по своей структуре и заряду, всегда обусловливают взаимодействие аденина с тимином, а гуанина с цитозином. Благодаря химической структуре нуклеотидов, между аденином и тимином образуется два водородных связи, а между гуанином и цитозином-три. То есть, если аденин соединяется только с тимином, а гуанин с цитозином, тогда возможны только четыре варианта комбинаций: А-Т, или Т-А, Г-Ц или Ц-Г. Однако эти пары оснований образуют огромное количество комбинаций, размещаясь вдоль двух цепей, из которых состоит молекула ДНК. Уотсон считал, что по длине такой молекулы разместится не менее 10000 нуклеотидов. Самый маленький из известных у человека генов содержит 21 пару нуклеотидов, самый большой-2200000. Комплементарная структура ДНК определяет универсальный химический механизм сохранения и передачи генетической информации, поскольку благодаря ей возможна высокая точность репликации. После раскрутки небольшого участка ДНК начинается синтез новой цепи. Для элонгации полинуклеотидной последовательности ДНК-полимеразе нужен праймер со свободным 3-мя-концом. В ходе интенсивных исследований оказалось, что несмотря на отсутствие свободной 3‗- гидроксильной группы, праймером для инициации синтеза ДНК является именно РНК. То есть, начало репликации активируется праймерами (затравками), которые состоят из 100-200 рыбонуклеотидов. Синтез праймеров осуществляет фермент – праймаза. Цепи ДНК синтезируются в результате присоединения 5-ти-дезоксинуклеотидных единиц дезоксирибонуклеозидтрифосфатов до 3-ти-гидроксильного конца праймера.
Таким образом, синтез происходит в направлении 5‗-3‗ вдоль матричного цепи, который ориентирован в противоположном направлении 3‗-5‗ . Синтез цепей в обратном направлении никогда не происходит, поэтому рост одной цепи непрерывный (ведущий, лидирующий цепь), а второй происходит импульсами (отстающую). Ведущая цепь растет от 5 до 3 конца в направлении движения репликативной вилки и требует лишь одного акта инициации. Установлено, что репликация РНК начинается в так называемых точках начала репликации (origins). В процессе репликации спираль ДНК раскручивается (разветвляется), образуя репликационную вилку. Сначала эта вилка появляется в точке начала репликации, а затем последовательно продвигается вдоль хромосомы. Если репликация направлена в обе стороны, то формируются две вилки, которые мигрируют от точки начала репликации в противоположных направлениях. Область ДНК, которая реплицируется, начиная с одной точки, называется репликоном. ДНК-полимераза I присоединяет нуклеотиды к растущей цепи ДНК специфическим способом. В молекуле дезоксинуклеотрифосфата – предшественника (dNTP) имеется три фосфатных группы, присоединенные в 5‗- положении к остатку дезоксирибози. Во время синтеза ДНК две фосфатных группы отщепляются путем гидролиза, а те, что остаются ковалентно связываются с 3-гидроксильной группой дезоксирибозы. Таким образом, элонгация (удлинение) цепи происходит по направлению от 5-и до 3-и-конца с добавлением по одному нуклеотиду до 3-и-конца растущей цепи ДНК. В результате каждой реакции появляется новая 3‗-ОН-группа, которая отщепляется с присоединением следующего предшественника. Поэтому репликативная вилка-часть молекулы ДНК, которая уже расплелась и служит матрицей для синтеза дочерней ДНК. В ходе репликации репликативная вилка перемещается вдоль молекулы ДНК. Рост отстающей цепи идет также по направлению от 5 и до 3 и конца, в направлении, противоположном движению репликативной вилки прерывисто. Для синтеза отстающего цепи происходит синтез большого количества коротких цепей – фрагментов Оказаки (см. рис. приложений 19 и 20). Их размер - 1000-2000 нуклеотидов у прокариот и 100-200 нуклеотидов у эукариот. Репликация происходит в три этапа: инициация, элонгация, терме нация.
Механизмы инициации репликации в точке начала репликации и с образованием фрагментов Оказаки в отстающей цепи аналогичны. В двух случаях образуются короткие РНК-затравки (праймеры), комплементарные матричной ДНК, которые дают свободный 3‗-гидроксильный конец для синтеза новой цепи ДНК. (В дальнейшем РНК - затравки заменяются на ДНК с образованием непрерывной ДНК). Элонгация-комплементарный синтез основ на матрице ДНК с помощью ферментов ДНК-полимераз. Кроме РНК-и ДНК-полимераз в репликации принимают участие другие ферменты. Ошибка в репликации приводит к прекращению роста цепи. Для соединения оборванных цепей ДНК используются ДНК-лигазы (они необходимы также для соединения цепей ДНК по репарации и обмене участками между гомологичными хромосомами-рекомбинации). Лигазы способны образовывать фосфодиэфирные мостики между 5 ИС-фосфорильной и 3 ИС-гидроксильной группами соседних дезоксинуклеотидов в местах разрывов ДНК. Для репликации ДНК должна раскручиваться и расплетаться. В этом процессе принимают участие следующие ферменты: ДНК-геликазы-вызывают локальное раскручивание. Раскручивание ДНК приводит к интенсивной спирализации и со временем происходит осложнение продвижения репликативной вилки и ее блокировки. Эта блокировка устраняется за счет внесения одноцепочечных разрывов ДНК-топоизомеразами и их раскрутки. Терминация репликации – завершение процесса синтеза ДНК. В линейных молекулах ДНК она осложнена невозможностью ДНК-полимеразы удлинять цепь на 5-и-концы в районе теломеры. После удаления РНК-праймера в районе теломер образуются просветы, которые невозможно восполнить с помощью ДНК-полимеразы. В отличие от замкнутых кольцевых хромосом бактерий и большинства бактериофагов, эукариотные хромосомы линейные. Концы этих линейных молекул называются теломерами. В то время, как процесс синтеза ДНК подходит к лидирующей цепи, на отстающей цепи после удаления РНК-праймера возникает некоторое осложнение. Дыра, которая образовалась на месте РНК-затравки, как правило заполняется нуклеотидами, которые присоединились к 3‗-ОН группы в процессе прерывистого синтеза. Но на конце хромосомы полинуклеотидной цепь не имеет гидроксильной группы, поэтому в ходе каждого из последующих раундов синтеза ДНК теоретически должно происходить укорочение хромосомы на длину РНК праймера. Механизм решения этой проблемы подсказало открытие фермента теломеразы. В джгутикового простейшего много теломер заканчивается последовательностью 5‗- ТТГГГГ-3‗. Теломераза добавляет эти последовательности к концам новосинтезированных молекул, предупреждая сокращение их концов после каждой репликации. Теломераза добавляет к 3-м-концу отстающей цепи несколько копий шестинуклеотидного повтора в направлении от 5-ти и-3-х и-3. Эти повторы формируют шпилеобразную петлю, которая стабилизирована необычной водородной связью между противоположными остатками гуанина (ГГ). В результате возникает свободный 3‗- ОН конец, который после удаления РНК-праймера используется ДНК - полимеразой для заполнения просвета (присоединение к этому концу новых нуклеотидов). После чего шпилька расщепляется, а потери части конечной ДНК не происходит. У других эукариот в этом процессе участвуют подобные ферменты.
При дальнейших исследованиях теломеразы австралийка Элизабет Блекберн, что работает в США, американка Кэрол Грейдер, а также ее соотечественник Джек Шостак обнаружили, что этот фермент добавляет последовательности ТТГГГГ даже до концов хромосом, которые не несут такой последовательности и доказали, что указанная последовательность нуклеотидов не является сигналом для активации теломеразы. Ученые установили, что теломераза содержит в своей молекуле небольшой отрезок РНК, которая образует рыбонуклеопротеин, что является чрезвычайно важным для ее каталитической активности. Этот фрагмент РНК, который кодирует последовательности, которые используются как матрица, содержащая 159 нуклеотидов, включая последовательность комплементарную повторам нуклеотидов в шпилеподобной структуре (5‗-ААЦЦЦЦ-3‗). Подобные ферменты найдены и у других одноклеточных организмов. По механизму действия РНК- совместная теломераза напоминает обратную транскриптазу, поскольку синтезирует на РНК-матрице комплементарную последовательность ДНК.
На основе данных исследований за открытия, касающиеся области раковых заболеваний, старения и продления человеческой молодости Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак в октябре 2009 года были награждены Нобелевской премией. Существует особая группа РНК-содержащих вирусов, или ретровирусов. Их РНК служит матрицей для синтеза комплементарной молекулы ДНК. Это происходит во время обратной транскрипции с участием РНК - зависимой ДНК-полимеразы, которая называется обратной транскриптазою. После этого вирусная ДНК встраивается в геном клетки-хозяина и транскрибируется с образованием множества копий ретровирусной РНК

. Эти этапы предшествуют экспрессии вирусных генов и образованию РНК-геномов. К ретровирусам относятся, например, вирус птичьего гриппа, вирус иммунодефицита человека, и некоторые РНК-содержащие онкогенные вирусы.

2.Функции ДНК и РНК, транскрипция и трансляция
Реализация наследственной информации, записанной в ДНК, осуществляется с участием другого типа нуклеиновых кислот – РНК. Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) – полимер, мономерами которого являются 40 рыбонуклеотидов. Структура РНК очень похожа на структуру ДНК, но имеет некоторые отличия: это отсутствие двойной спирали, замена тимина на другую азотистую основу - урацил, а углевода дезоксирибозы- на рибозу. Основная роль РНК – трансляция генетической информации с образованием белков. Молекулы РНК также принимают участие в осуществлении некоторых специализированных эндонуклеазных реакций, регулирующих экспрессию генов, в организации интерфазного ядра. Молекулами РНК представлены геномы некоторых вирусов (ретровирусов и большого количества вирусов животных, растений, с одно - и дволанцюговими геномами). Для всех клеток присутствуют такие виды РНК: рибосомная РНК (рРНК), транспортная (тРНК) и информационная, или матричная РНК (мРНК, iРНК). Каждый из них выполняет определенную функцию, и именно их комплексное взаимодействие обеспечивает синтез данного белка. Информационная РНК является копией определенного участка ДНК, выполняет роль посредника в переносе генетической информации от ДНК до белка (ДНК–РНК–белок), на ней происходит синтез белка на рибосомах. Транспортные РНК переносят аминокислоты для синтеза белка. В звяку с виродженістю кода может существовать несколько тРНК, которые распознают различные кодоны одной аминокислоты, или же антикодон определенной тРНК способен спариваться с несколькими кодонами. Прочные водородные связи образуют только два первых нуклеотиды кодону. Между 3-нуклеотидом кодона и 5-нуклеотидом антикодона связь менее прочная.

Рисунок 1 - Схема строения ДНК и РНК
ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей. РНК-одинарная полинуклеотидная цепь распознавания кодона антикодоном контролируется рибосомами. Рибосомы движутся вдоль іРНК в направлении 5‗-3‗, считывая кодоны путем присоединения к ним аминоацил-тРНК, несущих соответствующие антикодони. К каждой іРНК присоединяется одновременно несколько рибосом, расположенных вдоль ее молекулы на расстоянии примерно 90 нуклеотидов друг от друга. Такой трансляционный комплекс называют полирибосомой или полисомой. У эукариотов к одной иРНК одновременно присоединяется менее 10 рибосом. В среднем у обеих групп организмов полисомы соответствуют величине синтезированного полипептида. Рибосомальная РНК входит в состав рибосом. Считают, что рРНК обеспечивает определенное пространственное размещение iРНК и тРНК. Все основные классы РНК образуются в процессе транскрипции как копии соответствующих участков ДНК, поэтому их нуклеотидные последовательности являются комплементарные ДНК-матрицы, а урацил, замещая тимин, остается комплементарным аденина. Различные молекулы РНК очень отличаются по массе и размерам.
Самые крупные рРНК как правило составляют около 80% всей клеточной РНК. Они являются важными структурными компонентами рибосом, на которых в процессе трансляции происходит синтез белков. Молекулы мРНК (іРНК) переносят генетическую информацию на рибосомы, где происходит трансляция, они также различаются по длине в связи с различиями между генами, которые кодируют белки. Также в клетке имеются малые ядерные РНК (мяРНК), участвующие в процессинге iРНК. Биосинтез белка начинается с транскрипции – процесса переписывания информации с ДНК на іРНК. Информационная РНК синтезируется по принципу комплементарности с участием фермента ДНК-зависимой-РНК-полимеразы. Количество копий РНК, которое возможно снять с первичного участка ДНК, неограниченное.
Транскрипция (лат. transcriptio transcribo – переписываю) – синтез РНК на матрице ДНК состоит из трех этапов: инициация, элонгация, терминация.
Транскрипция инициируется за образование стабильного комплекса между промотором и РНК-полимеразой у прокариот (у эукариот образуется транскрипционный комплекс). Двойной цепь ДНК в области промотора денатурирует с образованием транскрипционного «пузырька». РНК тоже синтезируется по направлению от 3-х и-5-х и-конца одной из цепей ДНК, которая называется кодирующей (+). Вторая цепь называется матричной (+). В отношении него направление синтеза антипараллельное (3 ила -5 ила).
Элонгация транскрипции – синтез РНК на матрице ДНК. Транскрипция терминируется, когда молекула РНК-полимеразы достигнет терминирующего участка, или терминатора.
Терминаторы содержат инвертированные повторы, благодаря чему 3-х концы РНК-транскриптов состоят с образованием шпилек разной длины. Поскольку эукариоты представлены в подавляющем большинстве многоклеточными формами, существуют ткане специфические методы регуляции экспрессии генов. Для этого используют механизмы регуляции на уровне транскрипции, трансляции, с помощью гормонов. На скорость транскрипции кроме промоторов воздействуют участки, которые называются энхансерами (усилителями). Генетическая информация закодирована в матричной цепи ДНК и переписана на рибонуклеотидную последовательность мРНК, которая транслируется согласно генетического кода на аминокислотную последовательность. У эукариот трансляции предшествует процессинг іРНК, который еще определяют как посттранскипционные изменения РНК. Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК) превращается в іРНК, содержащий 5‗-кэп и 3‗-хвост (поле А-фрагмент) и нет нитроны, которые удаляются при сплайсинга. При отсутствии 3‗-хвоста РНК транскрипты быстро деградируют под действием ферментов. Поэтому наличие 5‗-кепу и 3‗-хвоста очень важны как для дальнейшего процессинга так и для транспортировки РНК в цитоплазму.
Итак, после транскрипции, что у эукариотов происходит в ядре, матричная РНК подвергается созреванию (процессингу).
Процессинг – процесс созревания іРНК с так называемой проинформационной РНК (неспелой).
Он состоит из трех этапов: кепирования, альтернативного сплайсинга и полиаденилирования.
Процессинг (созревание) іРНК играет регуляторную роль в экспрессии генов. Т ак, некоторые интроны в молекуле пре-iРНК относятся к одному гену, но могут сплайсинговаться разными способами. Это приводит к появлению различных по составу экзонов мРНК. Исследованиями установлено, что гены эукариот представляют собой чередование содержательных участков – экзонов и некодирующих, бессодержательных – интронов. Образована путем транскрипции про іРНК имеет копии как экзонов, так и интронов. Но затем из этой РНК удаляются участки, которые соответствуют интронам, (происходит их вырезание) и сшиваются содержательные, кодирующие фрагменты между собой сплайсинг. Содержательные фрагменты- экзоны сшиваются в разнообразных вариациях (альтернативах) поэтому весь этот этап созревания носит название альтернативного сплайсинга. Изучение геномов различных организмов показало, что один и тот же участок ДНК может кодировать несколько различных белков. При этом образуются различные мРНК путем альтернативного сплайсинга, то есть с одного и того же первичного РНК-транскрипта вырезаются различные участки – интроны. В результате различные мРНК контролируют синтез различных полипептидных цепей. В последние годы найдены гены, которые входят в структуру интронов других генов (ген в гене). На основе данных по секвенувания определено, что в геноме человека более 30000 генов, а не 70000 - 100000, как считали ранее. Благодаря альтернативному сплайсингу число белковых продуктов в 1,5 – 2 раза больше, чем число генов. Такой альтернативный сплайсинг характерен для іРНК, при трансляции которых используются родственные белки и изоформы. Альтернативный сплайсинг определен в различных организмов (включая вирусы, дрозофилы и людей). При альтернативном сплайсинга пре-іРНК образуется несколько близких белков, которые кодируются одним геном. Сплайсинг зависит от различных мяРНК (U1, U2...U6), которые формируют вместе с белками мяРНП (малые ядерные нуклеопротеины), функционирующих в какой то информации по языку последовательности основ мРНК переводится на язык аминокислотной последовательности белка. Синтез белка осуществляется путем последовательной поликонденсации отдельных аминокислотных остатков, начиная с амино-(N)-конца полипептидной цепи, в направлении к карбоксильного (С)-концу. Декодирование мРНК происходит соответственно в направлении 5‗-3‗.
Трансляция происходит с помощью рибосом – структур, локализованных у эукариот на эндоплазматическом ретикулуме (развитой внутриклеточной мембранной сетке) в цитоплазме. У эукариот большая субъединица содержит молекулы 28S рРНК, связанную с 5,8 S рРНК, а также молекулы 5S рРНК и около 50-ти рибосомных белков.
В состав малой субъединицы эукариотической рибосомы входит 18Ѕр РНК и 33 белка. У прокариот большая субъединица содержит 23S рРНК, 5Ѕр РНК и и 31 белок. Малая субъединица 16S рРНК и 21 белок. Размер рибосом обычно обозначают в коэффициенте седиментации - единицах Сведберга (S), которые отражают скорость осаждения во время центрифугирования. Для успешной трансляции молекулы тРНК должны присоединить соответствующие аминокислоты. Такая зарядка тРНК происходит с участием аміноцил-тРНК-синтетазы. Поскольку существует 20 различных аминокислот, должно существовать не менее 20 различных тРНК ферментов. На первом этапе зарядки тРНК при взаимодействии с АТР аминокислота активируется, превращаясь в аминоациладениловую кислоту. Между 5 Вт-фосфатной группой АТР и карбоксильной группой аминокислоты образуется комплекс, реагирующий с молекулой тРНК. На следующем этапе, молекула аминокислоты переносится на акцепторную тРНК и ковалентно связывается с адениноновым остатком на конце тРНК. Такая заряженная молекула может участвовать в синтезе белка. Такая зарядка является чрезвычайно важным процессом для точной трансляции белков. Трансляция включает инициацию, элонгацию, терминацию. Инициация - все реакции к формированию пептидной связи между первыми двумя аминокислотами. В E.coli от инициации транскрипции гена до появления в клетке его іРНК проходит около 2,5 минут, а соответствующего белка – еще 30 сек. Инициация синтеза поліпетидного цепи происходит в момент формирования комплекса между іРНК, 30S субъединицей рибосомою и формилметионил-тРНК. Источником энергии для инициации синтеза белка является реакция гидролиза АТР до АDР и Г. На этом этапе необходимы еще несколько белков, называемых факторами инициации (IF1, IF2, IF3)
Вторая фаза трансляции, при которой происходит удлинение аминокислотной цепи на одну аминокислоту называется элонгацией. Последовательность второго триплета мРНК определяет, какая тРНК связывается с А - сайтом (аминоцильным). После связывания соответствующей тРНК с этим сайтом пептидилтрансфераза катализирует образование пептидной связи между двумя аминокислотами. Этот фермент входит в большой субъединицы рибосом. Одновременно происходит гидролиз ковалентной связи между аминокислотой и тРНК, связанной с пептидильним сайтом (Р-сайтом). В результате образуется дипептид, присоединенный к 3-м-концу тРНК, что находит в А-сайте.
Элонгация включает три этапа: 1) узнавание кодона, 2) образование пептидной связи; 3) транслокация. Узнавание кодона заключается в связывании антикодона очередной молекулы аминоацил-тРНК с кодоном свободного участка а на рибосоме. Образование полипептидной цепи происходит лишь тогда, когда два участка, а-сайт и Р-сайт, занятые молекулами аминоацил-тРНК. Часть 50S-субчастицы представляет собой фермент пептидилтрансферазу, катализирующий образование пептидной связи. В результате этой реакции полипептидный цепь, растет, оказывается присоединяется к т-РНК участка А. В это время тРНК участка Р высвобождаются из комплекса с пептидом и несет на 3‗-конце группу – ОН.
Транслокация включает три акта. Сначала тРНК участка Р, не связана с пептидом, оставляет рибосому, затем молекула пептидил-тРНК переходит с участка а на Р, после чего рибосома перемещается вдоль мРНК на три нуклеотидных остатки в сторону 3-конца. В результате этих трех актов освобождается участок а и экспонируется очередной кодон, позволяющий начаться следующему циклу элонгации.
Таким образом, стадия элонгации включает все реакции от момента образования первого пептидного звязку до присоединения последней аминокислоты