Основы молекулярной генетики - кратко с точки зрения педиатрии
В геноме человека ~20 000 генов, которые кодируют широкий спектр белков, обнаруженных в организме человека. Половые клетки содержат одну копию этого генетического комплемента и являются гаплоидными (In), тогда как соматические (неполовые) клетки содержат две полные копии (2n) и являются диплоидными. Гены организованы в длинные сегменты ДНК, которые во время деления клетки уплотняются в сложные структуры и вместе с белками образуют хромосомы. Каждая соматическая клетка имеет 46 хромосом: 22 пары аутосом, или неполовых хромосом, и одну пару половых хромосом (XY у мужчины, XX у женщины).
Зародышевые клетки (яйцеклетки или сперматозоиды) содержат 22 аутосомы и одну половую хромосому, всего 23. При оплодотворении полный диплоидный набор из 46 хромосом снова воссоздается в эмбрионе.
Большая часть генетического материала содержится в ядре клетки. Митохондрии (энергетические органеллы клетки) содержат свой собственный геном. Митохондриальная хромосома состоит из двунитевой ДНК кольцевой формы, содержащей 16 568 пар оснований. ДНК присутствует в множественных копиях на клетку. Митохондриальные белки синтезируются либо в митохондриях с использованием генетической информации, содержащейся в митохондриальном геноме, либо вне митохондрий, используя информацию с ядерного генома, и только потом транспортируются в митохондрии. Сперматозоиды обычно не содержат митохондрии, поэтому все митохондрии имеют материнское происхождение, и генетический состав митохондрий ребенка зависит исключительно от его биологической матери.
ДНК состоит из двух цепей: сахаро-фосфатного остова и связанных между собой пиримидинового и пуринового оснований, образуя двойную спираль (рис. 1). Сахар, входящий в состав ДНК, представлен дезоксирибозой. Пиримидины — цитозином (С) и тимином (Т); пурины — гуанином (G) и аденином (А). Основания связаны водородными связями, так что А всегда соединяется с Т, a G — с С. Каждая цепь двойной спирали имеет полярность со свободным фосфатом на одном конце (5’) и несвязанной 3’-гидроксильной группой сахара на другом конце.
Рисунок 1. Двойная спираль сахаро-фосфатного остова ДНК с азотистыми основаниями.
Цепи ДНК ориентированы в противоположном направлении полярности.
Репликация ДНК следует за спариванием оснований в материнской цепи ДНК. Две исходные нити раскручиваются, разрывая водородные связи между парами оснований. Свободные нуклеотиды, состоящие из оснований, присоединенных к сахаро-фосфатной цепи, образуют новые водородные связи с комплементарными основаниями на материнской цепи ДНК; новые фосфодиэфирные связи образуются с участием энзимов, называемых ДНК-полимеразами. Репликация хромосом начинается одновременно в нескольких местах, образуя репликационные вилки, которые расширяются в двух направлениях, пока не будет реплицирована вся молекула ДНК (хромосома).
Ошибки в репликации ДНК или мутации, вызванные мутагенами окружающей среды, такими как облучение или химические в-ва, обнаруживаются и потенциально исправляются системами репарации ДНК. Центральный постулат молекулярной генетики заключается в том, что информация, закодированная в ДНК, преимущественно расположенной в ядре клетки, транскрибируется в информационную (матричную) РНК (мРНК), которая затем транспортируется в цитоплазму, где транслируется в белок.
Прототипный ген состоит из регуляторной области, сегментов, называемых экзонами, кодирующими аминокислотную последовательность белка, и промежуточных сегментов, называемых интронами (рис. 2).
Рисунок 2. Передача информации ДНК—>РНК->Белок для гипотетического гена с тремя экзонами и двумя интронами. Окрашенные области внутри экзонов указывают кодирующие последовательности. Процесс включает следующие этапы: транскрипцию, процессинг, сплайсинг РНК, транспорт РНК из ядра в цитоплазму, трансляцию и сборку белка
Транскрипция инициируется присоединением полимеразы РНК к промоторному участку выше от начала кодирующей последовательности. Специфические белки связываются с этой областью, подавляя или активируя транскрипцию, открывая хроматин, который представляет собой комплекс белков ДНК и гистонов. Именно действие этих регуляторных белков (факторов транскрипции) в значительной степени определяет, когда ген включен или выключен. Некоторые гены также включаются и выключаются посредством метилирования оснований цитозина, соседствующих с основаниями гуанина (цитозин-фосфат-гуаниновые основания).
Пример эпигенетических изменений — метилирование, которое может затронуть экспрессию генов и, возможно, характерные особенности клетки или организма, но не влекущее за собой изменения в базовой генетической последовательности. Генная регуляция гибкая и чувствительная, гены включаются или выключаются во время развития организма и в ответ на внутренние и внешние факторы и стимулы.
Транскрипция проходит по всей длине гена в направлении от 5’- к З’-концу с образованием транскрипта мРНК, последовательность которого комплементарна последовательности одной из цепей ДНК. РНК, как и ДНК, представляет собой сахаро-фосфатную цепь с пиримидинами и пуринами. Входящий в РНК сахар — рибоза, а урацил заменяет тимин, содержащийся в ДНК. «Колпачок» (cap), представляющий собой 7-метилгуанозин, присоединяется к-5’-5’-позиции к 5’-концу РНК, и для большинства транскриптов несколько сотен адениновых оснований добавляются к З’-концу после транскрипции путем ферментативных реакций.
Процессинг (созревание) мРНК происходит в ядре и заключается в вырезании интронов и сшивке экзонов. Определенные последовательности в начале и в конце интронов отмечают участки, в которых механизмы сплайсинга будут влиять на транскрипт. В некоторых случаях модель сплайсинга тканеспецифична, таким образом один и тот же первичный транскрипт может продуцировать несколько различных белков.
Затем обработанный транскрипт экспортируется в цитоплазму, где он связывается с рибосомами, представляющими собой комплексы белков и рибосомной РНК (рРНК). Генетический код — триплеты оснований, каждый триплет соответствует определенной аминокислоте или обеспечивает сигнал, завершающий трансляцию. Триплетные кодоны распознаются транспортными РНК (тРНК), включающими комплементарные антикодоны и связывающими соответствующую аминокислоту, доставляя ее к растущему пептиду.
Новые аминокислоты присоединяются к пептиду путем ферментативных реакций. Каждый раз при добавлении аминокислоты рибосома перемещается вдоль мРНК на один триплет (кодон). В итоге достигается стоп-кодон, на котором заканчивается трансляция, и пептид высвобождается. Некоторые белки подвержены посттрансляционным модификациям, таким как присоединение сахаров (гликозилирование); затем белок доставляется к месту назначения внутри или за пределами клетки с помощью механизмов доставки, которые распознают части пептида.
Другой механизм генетической регуляции — некодирующие РНК, представляющие собой РНК, транскрибируемые из ДНК, но не транслируемые в белки. Некодирующие РНК участвуют в опосредовании сплайсинга, процессинга кодирующих РНК в ядре и трансляции кодирующих мРНК в рибосомах. Роли больших некодирующих РНК (>200 bp) и коротких некодирующих РНК (<200 bp) выходят за рамки этих процессов и влияют на разнообразный набор биологических функций, включая регуляцию экспрессии генов. Например, микроРНК — класс малых РНК, которые контролируют экспрессию генов в клетке, напрямую воздействуя на определенные наборы кодирующих РНК посредством прямого связывания РНК-РНК.
Взаимодействие РНК-РНК может приводить к деградации РНК, кодирующей мишень, или к ингибированию трансляции белка, определенного этой кодирующей РНК. МикроРНК, как правило, нацелены и регулируют несколько сотен мРНК.
