Генетика з основами селекції - М.П.Мигун - 2008
РОЗДІЛ II. Матеріальні основи та молекулярні механізми спадковості
2.7. Молекулярні механізми найважливіших генетичних процесів
До найважливіших загальномолекулярних генетичних процесів, які забезпечують життєдіяльність і відтворення клітин та організмів, у першу чергу слід віднести:
1. Процес передачі наступним поколінням спадкової інформації у вигляді генетичних молекул ДНК або РНК, що обумовлюється синтезом точних їх копій de novo.
2. Молекулярні реакції, які спрямовані на збереження структури генетичних нуклеїнових кислот і гарантують передачу наступному поколінню безпомилкової інформації.
3. Молекулярні процеси, що ведуть, навпаки, до змін спадкової інформації - або за рахунок нової комбінаторики генів у хромосомах, або шляхом виникнення нової чи втрати старої інформації.
4. Процеси, які забезпечують внутрішньоклітинну передачу і реалізацію генетичної інформації, тобто фенотипові вираження генотипу.
5. Складні регуляторні реакції на рівні молекул нуклеїнових кислот і білків, що забезпечують генетичний і метаболічний гомеостаз у клітині.
Відтворення точних копій ДНК, захист власної ДНК від чужої інформації та пошкоджень забезпечується завдяки таким молекулярно-генетичним процесам, як реплікація та репарація.
Реплікація. У деяких вірусів, а також у бактерій, рослин, тварин, людини, що містять дволанцюгову гДНК, безпомилкова передача спадкової інформації наступному поколінню забезпечується здатністю клітини точно відтворювати гДНК перед кожним поділом.
Процес, що призводить до утворення двох нових молекул ДНК на матриці вихідної молекули, називається реплікацією.
Заново синтезована молекула ДНК має бути точною копією старої молекули.
Ми знаємо, що генетична ДНК складається із двох ланцюгів, що передбачає матричний принцип біосинтезу. Це означає, що кожен із ланцюгів старої (вихідної, матричної) молекули ДНК у процесі її подвоєння і реплікації) слугує будівельним майданчиком (матрицею) для синтезу нового комплементарного ланцюга. Кожна дочірня молекула ДНК один полінуклеотидний ланцюг отримує від старої (вихідної молекули), а другий, комплементарний до нього, синтезується заново.
Це так званий напівконсервативний механізм реплікації ДНК, найбільш розповсюджений у живій природі.
Однак, у деяких випадках синтез ДНК здійснюється консервативно, і міді одна із дочірніх молекул повністю синтезується заново. Цей процес властивий одноланцюговим кільцевим ДНК деяких вірусів (бактеріофага ФХ174).
Дисперсний - коли матеріал вихідної молекули невизначено розподіляється в обох дочірніх молекулах.
Реплікація і ріст клітин у бактерій і еукаріотів тісно пов’язані, а завершення циклу реплікації узгоджується з актом поділу клітини.
Невеликі за розміром молекули ДНК вірусів і бактерій реплікуються як одне ціле, тобто за один акт реплікації гігантські молекули еукаріотів подвоюються завдяки дуже численним актам реплікації, що розпочинаються незалежно один від одного в різних місцях материнської молекули. Одиниця довжини ДНК, що реплікується за один акт реплікації називається репліконом.
Етапи реплікації
Ініціація реплікації відбувається в чітко визначеному локусі. У цьому місці в одному із ланцюгів ДНК розривається фосфодіефірний зв’язок, відбувається розплітання дволанцюгової ДНК і розділення її ланцюгів (фермент геліказа). Утворюється реплікативна вилка.
Елонгація ланцюгів. Оскільки два ланцюги ДНК антипаралельні, синтез ниток, комплементарний їм, повинен іти в одному випадку в напрямку 5'-3’ (провідний, лідируючий ланцюг), в іншому напрямку 3'-5’ (відстаючий). ДНК - полімераза здатна здійснювати синтез ДНК тільки у напрямку 5'-3’, тому відстаючий ланцюг синтезується невеличкими фрагментами (фрагменти Оказакі), для ініціації яких потрібне попереднє утворення коротких РНК - затравок (праймерів). Синтез фрагментів (100-200 нуклеотидів у еукаріот і 1000-2000 нуклеотидів у Е.соїі) здійснюється ДНК-полімеразою 3. ДНК- полімераза 1 видаляє затравку після того, як завершиться синтез наступного фрагмента.
Хромосоми еукаріотичних клітин полірепліковані, на відміну від Е.соїі (один реплікон). Як у прокаріот, так і в еукаріот реплікація переважно двоспрямована. Тобто дві вилки реплікації, що виникають у зоні ініціації реплікації, відходять одна від одної в процесі синтезу ДНК доти, доки вони не зустрінуться с білками реплікації сусідніх репліконів (термінація).
Хоч вирази "реплікація" і "синтез ДНК" уживають як синоніми, слід зауважити, що ототожнювати їх не можна. Термін "реплікація" або реплікаційний синтез означає біосинтез ДНК, унаслідок якого кожна молекула ДНК подвоюється, завдяки чому і стає можливою передача нащадкам генетичної інформації. Але є синтез, який тільки ліквідує пошкоджені ділянки ДНК. Цей локальний синтез також є матричним, проте молекула ДНК не реплікується (не подвоюється) і властива процесам репарації.
Репараиія. Для того, щоб клітина могла передати своїм нащадкам генетичну інформацію у незмінному стані, вона мусить мати надійний механізм захисту власної ДНК від пошкоджень і чужої інформації.
Стабільність генетичного матеріалу - ДНК пов’язана із здійсненням у клітинах усіх живих організмів спеціальних систем репарації, що видаляють із ДНК пошкодження, котрі в них виникають.
Усунення ушкоджень у ДНК здійснюється за допомогою систем репарації, які за своєю складністю часто не поступаються реплікаційному апаратові.
До системи захисту геномної ДНК клітин належать:
1. Системи захисту від стороннього генетичного матеріалу (невластива даній клітині генетична інформація може вноситися ззовні у складі вірусів та інших інфекційних агентів). Прикладом механізмів захисту від чужої генетичної інформації можуть бути системи модифікації і рестрикції у бактерій. Суть - своя генетична інформація позначається за допомогою спеціальних ферментів - метилаз, або інші ферменти (рестриктази) розпізнають у ДНК послідовність, якщо вона чужа, то знешкоджують її.
2. Системи виправлення помилок, що включають коректорську функцію ДНК - полімераз, які виправляють нуклеотидний склад ДНК у ході Імплікації.
3. Системи репарації, що усувають ушкодження в уже синтезованих молекулах ДНК.
Реалізація інформації генів здійснюється завдяки двом основним молекулярно-генетичним процесам: транскрипції; трансляції.
Транскрипція - (перенесення інформації з дволанцюгової ДНК на одноланцюгову РНК, або синтез іРНК на матриці ДНК). Це перша стадія реалізації (зчитування) генетичної інформації, внаслідок якої послідовність нуклеотидів ДНК переписується (транскрибується) у послідовність РНК. При цьому матрицею для синтезу РНК слугує тільки один ланцюг ДНК - називають змістовим ланцюгом.
В основі механізму копіювання інформації в процесі транскрипції нежить той же структурний принцип комплементарного спаровування нуклеотидів, що й за реплікації.
Процес синтезу РНК каталізується ферментами РНК - полімеразами.
В еукаріотів та деяких найпростіших вірусів (фагів) більшість генів функціонують (транскрибуються) як самостійні одиниці, в той час як у бактерій і інших вірусів гени в основному згруповані в оперони - регулювальні одиниці геному.
Оперон - група функціонально пов’язаних генів, які транскрибуються і регулюються як одне ціле.
Синтез молекул РНК розпочинається в певних місцях ДНК, які називаються промоторами, а закінчується в термінаторах. Послідовність між промотором і термінатором складає один транскриптон. Одні транскриптони зчитуються в одному напрямку, а інші - в протилежному.
Стадії транскрипції: зв’язування РНК полімерази з ДНК, ініціація транскрипції, нарощування (елонгації) ланцюга РНК, термінація транскрипції.
Для еукаріотів транскрипція з’ясована значно гірше, ніж для прокаріотів, однак є підстави вважати, що в основних рисах цикл транскрипції у бактерій і еукаріотів дуже подібний.
Трансляція - синтез білка на рибосомах.
Біосинтез білка (трансляція) полягає в передачі послідовності нуклеотидів у складі молекул ІРНК у послідовність амінокислот поліпептидних ланцюгів.
Цей переклад здійснюють "фабрики" збірки білка - рибосоми, які просуваються по нитці ІРНК, будують поліпептидний ланцюг у відповідності з генетичним кодом.
Крім рибосом та іРНК, до білка синтезуючої системи входять: тРНК, амінокислоти, ферменти, іони (Mg2+, Na+, К+) і специфічні білкові фактори ініціації, елонгації та термінації транскрипції.
Біосинтез поліпептидів (білків), первинна структура яких кодується структурними генами, а після процесу транскрипції - також і молекулами іРНК, є необхідним етапом реалізації генетичної інформації і становлення відповідного фенотипу. Саме білки забезпечують експресію генів (сила дії гена, ступінь фенотипового прояву ознаки) і регуляції цієї експресії в онтогенезі завдяки каталітичній (ферментативній), регуляторній, транспортним та іншим функціям, що властиві білковим молекулам.
У весь процес біосинтезу білка поділяють на 4 фази:
1. Активація амінокислот.
У процесі трансляції рибосомою використовуються лише активовані (тобто зв’язані з відповідними тРНК) форми амінокислот. Здійснює фермент аміноацип - тРНК - синтетазою. Майже всі неправильно синтезовані комплекси аміноацил - тРНК розпадаються зразу після свого утворення - дія репарація виправлення помилок.
2. Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга. Необхідні ініціаторний кодон, менша субчастка рибосоми, іРНК, тРНК, фактори ініціації, іони магнію та інше.
3. Елонгація (подовження) поліпептидного ланцюга.
Основними етапами елонгації при трансляції є:
а) зв’язування відповідної аміноціл - тРНК в А - ділянці рибосоми;
б) утворення пептидного зв’язку між попереднім і наступним залишками амінокислот;
в) траслокація (переміщення) утвореної пептидил - тРНК з А - ділянки рибосоми в Р - ділянку з одночасним зсувом іРНК на один триплет.
4. Термінація трансляції.
Сигналом термінації слугують кодони УАА, УАГ, УГА.
Рекомбінація. Утворення нових комбінацій генів.
Рекомбінація генів здійснюється різними способами.
Цей процес може бути зв’язаний із перерозподілом цілих хромосом. Перекомбінацією генів, що локалізовані в гомологічних хромосомах - кросинговер.
Для здійснення рекомбінації в еукаріот існує статевий процес, у прокаріот - кон’югація, вірусів - сумісна інфекція.
Результатом рекомбінації є перенесення ділянок ДНК із однієї молекули на іншу.
Види рекомбінації
1. Загальна, яка відбувається між гомологічними послідовностями ДНК.
2. Сайт - специфічна, яка зачіпає молекул ДНК, що характеризується обмеженою структурною схожістю, найбільш детально досліджена при взаємодії профага з хромосомною Е.соїі.
3. Незаконна, до якої включаються молекули ДНК, що не мають ніякої структурної схожості. Механізм транспозиції мігруючих генетичних елементів.
В основі генетичної рекомбінації лежить принцип - розрив- приєднання пар гомологічних молекул ДНК. Цей процес багатостадійний, що включає кон’югацію і власне рекомбінацію.