Шпаргалка по "Геномике"

37. Горизонтальный  перенос генов и пластичность  про-кариотических геномов. "Горизонтальный" перенос генов определяется как перенос ген. информации от одного генома к другому, в особенности м/у  двумя видами. Для гори-зонтального переноса необходимы следующие факторы: 1) некий посредник для "транспортировки" ген. информации м/у  орг-мами и клетками; 2) молекулярный мех-м для встраивания чужеродных кусков ДНК в хозяйский геном.              Ретровирусы способны выполнять обе эти функции, т.к. они могут включать в свой геном участки хромосомальной ДНК и "пересекать" видовые границы. В случае  транспозонов и др. типов ДНК - опосредованной транспозиции межклеточ-ный транспорт должен обеспечиваться неким инфекционным агентом, таким как плазмиды. Действительно, многие встречающиеся в природе плазмиды содержат транспозици-онные элементы, которые могут перемещаться из плазмид в бактериальную хромосому и наоборот. Горизонтальный пе-ренос генов можно обнаружить при значительном нарушении "непрерывности" филогенетического распределения определенного гена. Например, бактерия Salmonella Typhimurium содержит гистоно-подобный ген, который, насколько известно, не имеет аналогов у других бактерий. Тот факт, что горизонтальный перенос генов имел место, можно также подозревать, когда наблюдается значительное несоответствие м/у  генной и видовой филогенией. Особенно в том случае, когда существует предположение, что сходство последовательностей отражает географическую близость, а не филогенетическое родство. Горизонтально могут переноситься два типа последовательностей: 1)последовательности из транспозиционных элементов; 2) геномные последовательности. Существует очень мало слу-чаев, в которых горизонтальный перенос геномных после-довательностей был убедительно доказан. Многие подобные заявления впоследствие не подтверждались данными на мо-лекулярном уровне. Более того, следует отметить, что гори-зонтально - перенесенные гены, как предполагается, сохра-няют свою функциональность в новом хозяйском геноме еще реже, чем гены, перемещенные из одной геномной ло-казизации в другую внутри одного и того же генома.

38. Сравнение организации  геномов энтеробактерий (Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Yersinia pestis). Под понятием генома у бакт. подразумевается хромосома, образующая в бакт. кл. нуклеоид. Помимо хромосомы в ге-нофонд, входит и внехромосомная ДНК, т.е. гены, находя-щиеся на плазмидах. Хромосома E.coli предст. собой очень длинную, замкнутую в кольцо мол. ДНК, эта молекула имеет протяженность ~1 мм, что почти в 1000 раз превышает размер самой бакт. клетки (1-2 мкм). Помимо репликации ДНК и разделения дочерних геномов в нуклеоиде должны происходить синтез РНК и белка. Предположительно эти процессы осуществляются при переходе ДНК в менее скон-денсированное состояние и «выпячивании» соответствую-щего сегмента молекулы в окружающее пространство клетки, заполненное рибосомами. Для экспрессии генов важное знач. имеет то, что ДНК нуклеоида нах-ся в сост. так называемой отрицательной сверхскрученности. Это означает, что на уровне третичной стр-ры ДНК образует супервитки, причем в противоположном направлении по отношению к двойной спирали, закрученной вправо. Один супервиток обр-ся на каждые 200 п. н, а в масштабе целой хромосомы обр-ся отдельные домены, или петли, в кот. сверхскручивание происходит независимо. Cостояние сверхскрученности облегчает плавление ДНК при инициации транскрипции и тем самым способствует экспрессии генов; состояние отри-цательной сверхскрученности ДНК в нуклеоиде обязано действию фермента ДНК-гиразы. В культуре клеток E.coli, делящихся со скоростью 30 мин, на 1 нуклеоид обр-ся ≈ 120 доменов отрицательной сверхскрученности или 43±10 до-менов на геном. Отсюда на домен в среднем приходится ~100 тысяч нуклеотидных пар (тпн). Установлено, что для синтеза белка используется только 70% от потенциальной кодирующей способности ДНК. Бактерия Y. pestis содержит плазмиды pCD1, также содержит плазмиды pPCP1 и pMT1, которых нет у других видов р. Yersinia. Перечисленные плазмиды и остров патогенности, названный HPI, кодируют белки, кот. и являются причиной патогенности бакт. Помимо всего прочего эти вирулентные факторы требуются для бакт. адгезии и инъекции белков в кл. «хозяина», вторжения бактерии в клетку-хозяина, захвата и связывания железа, добытого из эритроцитов. Важнейшая особенность в организации бактериального генома состоит в его разделении на два во многих отношениях симметричных полугенома. Так, у E.coli и Salmonella typhimurium область начала двунаправленной репликации – oriC – разделяет хромосому на два примерно равных по величине плеча, отделенных на противоположной стороне кольцевой хромосомы областью терминации репликации – terC. Некоторое сходство в орга-низации полугеномов проявляется в расположении гомоло-гичных повторов на хромосомах E. coli и S. typhimurium. К таким повторам относятся, прежде всего, 7 rrn-оперонов, со-держащих идентичные гены рибосомальных РНК – rrs (16S), rrl (23S) и rrf (5S). Опероны rrn, находящиеся по разные сто-роны oriC, имеют противоположное направление. Другими словами, в каждом отдельном полугеноме rrn-опероны рас-положены как прямые нуклеотидные повторы, и поэтому появляется возможность образования путем неравного крос-синговера м/у  сестринскими хромосомами тандемных ду-пликаций, включающих протяженные сегменты м/у  rrn-оперонами. Но если происходит рекомбинационное взаимо-действие м/у  rrn-оперонами из разных полугеномов (подоб-ных инвертированным повторам), то образуются протяжен-ные инверсии, как, например, инверсия сегмента хромосомы м/у  оперонами rrnD и rrnE в штамме E.coli W3110.

39. Эволюция высоковирулентных  штаммов патогенов. Организация  генома Haemophilus influenzae. Основной движущей силой эволюции микробного паразитизма, во время кот. сформировались патогенные виды, явились мута-ции и рекомбинации генов. В рез-те направленного отбора особей, наиб. приспособленных к конкретным усл. сущ-ния в орг-ме чел, происходило совершенствование вирулентных и токсических св-в возбудителей, формиров. новых их раз-новидностей и видов. Основные селективные факторы направленного отбора, действующие в орг-ме чел, отн-ся к неспециф. иммунной защите орг-ма хозяина, а также посто-янно увеличивающемуся арсеналу химиотерапев-х и им-мунных (вакцины) препаратов. При этом число новых гено-типов, выживших в рез-те направлен. отбора, нах-ся в прямой зависимости от кол-ва действующих селективных факторов. Это приводит к постоянному обновлению генофонда микробной популяции. Особое значение в эволюции патоге-нов играет постоянная миграция информации с внехромос. факторами наследственности или транспозируемыми эле-ментами (транспозоны, плазмиды). Они контролир. образо-вание самых разнообр. продуктов: токсинов, ферментов, АГ, кот. в определ. случаях придают селективные преимущества несущим их клеткам возбудителя. Т. о, эволюционная роль внехромосомных факторов наследственности состоит в повышении гетерогенности бакт. популяций, что в конечном итоге способствует выживанию тех биоваров с измененной антигенностью и патогенностью, кот. наиб. приспособлены к данным конкретным усл. сущ-ния в орг-ме своего хозяина. В наст. время установлено сходство м/у  провирусами и транспозируемыми элементами. Провирусы - форма вирус-ной ДНК, кот. встроена в хромосому кл. хозяина. Гемо-фильная пал. ( Haemophilus influenzae) - гр-, неподв. па-лочковидная бакт. Геном H. influenzae штамма Rd был пер-вым геномом свободноживущего орг-ма, кот. был полностью секвенирован. Геном представлен кольцевой двуцепочечной ДНК размером 1830138 п.н. и содержит 1789 гена, из кот. 1657 кодируют Б, % Г+Ц пар составляет 38 %. Микроб явл. 1 из возбудит. пневмонии, менингита. Поражает только людей. Капсула является фактором патогенности и защищает м/о от действия иммунной системы чел.

40. Геном Deinococcus radiodurans. Каждая кольцевая мол. ДНК генома предст. в неск-ких копиях и обр-т вместе пере-плетённые кольца, каждое кольцо содержит по неск-ку копий 1 мол. ДНК. Другой особенностью D. radiodurans явл. наличие РНК-лигаз, способных сшивать мол. РНК в гибрид-ном комплексе РНК-ДНК. Геном D. radiodurans штамма R1 представлен 4 мол. ДНК: 2 хромосомами и 2 плазмидами - мегаплазмидой и малой плазмидой. Хромосома 1 - кольцевая двуцепочечная ДНК, кот. содержит 2687 генов, из кот. 2629 кодируют белки. Хромосома 2 меньше размерами и содержит 369 генов, из кот. 368 кодируют белки. Мегап-лазмида MP1 - двуцепочечная кольцевая ДНК и содержит 148 генов, из кот. 145 кодируют белки. Плазмида CP1  со-держит 40 генов, из кот. 39 кодируют белки. Известно также несколько плазмид, влияющих на резистентность к лизоциму и допустимую t роста. М/о им. естественную компетентность к трансформации чужеродной ДНК. Геном Neisseria gonorrhoeae. Гонококк способен вносить изменения в ген своего поверхностного белка пилина, что затрудняет выра-ботку иммунитета у зараженных людей. Участки пилинового гена замещаются фрагментами «псевдогенов» - многочисл. неработающих копий гена, немного различающихся своими нуклеотидными последова-ми. Гипотетический мех-м этого процесса предполагает наличие в кл. гонококка как мин. 2 копий генома, хотя обычно у бакт. геном представлен в единственном экземпляре. Главный поверхностный белок гонококка - пилин меняется за счет контролируемого про-цесса генной конверсии, т.е. замены одних участков гена др. Геном Aquifex aeolicus. Длина его генома составляет лишь около трети от длины генома E. coli. Сравнение генома A.aeolicus и др. орг-мов показали, что около 16 % её генов происходят от царства археев. A. aeolicus имеет наим. геном из всех известных не паразитических орг-мов. Он содержит 1512 генов. Его геном представляет собой сложную мозаику, состоящую как из "собственных" генов A.aeolicus, так и генов, "позаимствованных" им у других термофильных мик-робов. Как минимум 10% генов появилось в геноме A.aeolicus в рез-те латерального переноса

41. Генетика и  эволюция Mycobacterium tuberculosis. Геном M. tuberculosis complex очень консервативен. Его пред-ставители обладают гомологией ДНК в пределах 85-100 %, тогда как ДНК др. представителей данного рода гомологич-ны M. tuberculosis лишь на 5–29%. Геном M. tuberculosis меньше, чем у других микобактерий. Хромосома представ-ляет собой тороидальную структуру - свыше 3500 генов, ко-дирующих белки, плюс 60, кодирующих функциональные компоненты РНК: уникальный рибосомальный РНК-оперон, 10Sа РНК, участвующий в деградации белков с нетипичной матричной РНК, 45 транспортных РНК (тРНК), около 100 липопротеинов. Особенность генома M. tuberculosis complex - большое число повторяющихся последовательностей ДНК. Так, в хромосоме M. tuberculosis Н37Rv насчитывают до 56 копий IS-элементов, которые обеспечивают ДНК-полиморфизм микобактерий туберкулёза. Большинство из них, за исключением элемента IS6110, неизменны. В составе хромосомы различных штаммов микобактерий туберкулёза, как правило, присутствует от 5 до 20 копий IS6110, однако встречаются штаммы, не имеющие данного элемента. Раз-личия в количестве копий и локализации на хромосоме этих генетических элементов используют для дифференциации штаммов микобактерий туберкулёза в молекулярной эпиде-миологии. Наиболее совершенные схемы генотипирования микобактерий основаны на выявлении геномного полимор-физма, обусловленного элементом IS6110. Характерно, что дивергенция вида M. tuberculosis происходит, как правило, за счёт рекомбинаций м/у  копиями элемента IS6110, которые фланкируют различные гены.M. tuberculosis может адаптироваться к воздействию факторов иммунного ответа организма хозяина и селективному давлению антибиотиков посредством точечных мутаций. Было показано, что М. tuberculosis сформировались в процессе эволюции из пред-шественника М. tuberculosis complex путем делеций крупных фрагментов генома.

42. Геном и эволюционное  развитие Mycoplasma. Согласно одной точки зрения микоплазмы явл-ся выжившей ветвью примитивных м/ов, из кот. впоследствии произошли прокариоты и эукариоты. Они появились как продукт про-грессивной эволюции еще до образования присущей бакт. кл. стенки. Другая т. зр. состоит в том, что микоплазмы явл-ся регрессивной ветвью эволюции некоторых гр+ бакт. и (или) клостридий. Второе предположение находит экспери-ментальные подтверждения и рассматривается в двух воз-можных вариантах. Все микоплазмы происходят либо от предка, общего с гр+ бакт, либо от разных бакт. На основании проведенного сравнения последовательностей олиго-нуклеотидов 16S рРНК неск-ких видов микоплазм и гр+ бактерий из р. Clostridium, Bacillus, Lactobacillus, Streptococ-cus.Сравнительный анализ 16S РНК показал, что филогене-тически микоплазмы ближе всего к клостридиям, а именно к C. innocuum и C. ramosum. При сравнительном анализе числа и посл-тей нуклеотидов в 5S РНК различных видов гр+ бакт. и 13 видов микоплазм было также обнаружено, что предки последних отделились от ветви клостридий, возможно, от Clostridium innocuum, имеющей 114 нуклеотидов в составе 5S РНК. Геном микоплазм, представл. собой замкнутую двухцепочечную молекулу ДНК, отличается небольшим размером и низким содержанием Г-Ц пар.  По величине ге-нома представителей класса Mollicutes можно разделить на две группы. Одну составляют микоплазмы и уреаплазмы с геномом 0,45-0,55 МДа (700-900 kb), а другую – спироплаз-мы, ахолеплазмы и анаэроплазмы с геномом около 1 МДа (1500 kb). Содержание Г-Ц в ДНК микоплазм колеблется от 23 до 36%. Только геном M. pneumoniae является исключе-нием, так как Г-Ц в его составе достигает почти 41%. В раз-ных участках ДНК содержание Г+Ц существенно различает-ся.

43. Геномы эукариот. Для клеток эукариот хар-но наличие оформленного ядра. Информационной макромолекулой их генома явл. ДНК, ко¬т. неравномерно распределена по неск-ким хромосомам в виде комплексов с многочисл. белками. Ген. информация заключена и во внехромосомных молекулах ДНК. Это ДНК хлоропластов, митохондрий и др. пластид. Эукариотический ген можно рассматривать как совокуп¬ность сегментов ДНК, кот. вместе составляют экспрессируемую единицу, ответственную за образование специфического функ¬ционального продукта - либо молекулы РНК, либо полипептида. К сегментам ДНК, составляющим ген, отн. элементы: единица транскрипции – это участок ДНК, кодирующий первичный транскрипт; Минимальные посл-ти, необходимые для начала транскрипции (промотор) и конца транскрипции (терминатор); посл-ти, регулирующие частоту инициации транскрипции, ответственные за индуцибельность и репрессию транскрипции, а также клеточную, тканевую и временную спе¬цифичность транскрипции. Многие гены эукариот имеют мозаичное стро¬ение - чередо¬вание кодирующих (экзоны) и некодирующих (интроны)  посл-тей в пределах единицы транскрипции. Интроны чаще всего встречаются в генах, кодирующих белки. Показа-тель избыточности (величина С) генома у эукариот обычно гораздо больше, чем у прокариот, но сущ-т и исключения. Напр, дрожжи имеют геном меньше, чем многие гр+ бакт. и боль-во цианобакт. Т.к. эукариотич. геном им. множествен-ные точки инициации репликации, эукариоты способны реплицировать гораздо большие кол-ва ДНК примерно за то же время, кот. необходимо для значительно меньших по размеру прокариотических геномов . Отклонения в величине С у эукариот гораздо больше, чем у бакт. Отсутствие соот-ветствия м/у  величиной С и предполагаемым кол-вом ген. информации, содержащейся внутри генома, известно как парадокс величины С: а) размеры генома боль-ва эукариот настолько велики, что их потенциальная информационная емкость намного превышает реальное число генов; б) виды 1 и того же рода могут существенно (в неск-ко раз) отличаться по величине генома; в) так называемые "эволюционно примитивные" реликтовые формы по содержанию ДНК на клетку зачастую превосходят представителей эволюционно преуспевающих таксономических групп.

44. Компактность  эукариотического генома. Компактность - принципиальное отличие генома эукариот от прока-риотического генома. При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК прокариот.  4 уровня компактизации ДНК. 1. Нуклеосомный уровень Нукле-осома - повторяющийся структурный элемент хроматина, содержащий гистоновый октамер и ~180 п.н. ДНК. В основе нуклеосомы лежит гистоновый октамер. Каждая молекула представлена дважды. Они образуют кор (серцевину) нук-леосомы. На кор наматывается ДНК - 1.75 левых витка спи-рали. Нуклеосомный уровень упаковки свойственен всей эу-кариотической ДНК, он дает укорочение в 7 раз. Диаметр увеличивается с 20 A до 110 A. 2. Супербидный (супер-спираль) или соленоидный уровень. Фактически обеспе-чивается Н1 гистоном.  Н1 взаимодействует с октамерами, сближает их, и на него тоже наматывается ДНК. Образуется супербид.  На этом уровне компактизации витки спирали ДНК, состоящие из накрученной на нуклеосомы ДНК стяну-ты друг с другом с помощью гистона Н1. Происходит со-кращение линейного размера ДНК в 6-10 раз. 3. Петлевой уровень Обеспечивается негистоновыми кислыми белка-ми.  Они узнают определенные последовательности ДНК и связываются с ними и друг другом, стягивают их,  образуя петли по 20-80 тыс. п.н. Петля обеспечивает экспрессию гена, т.е петля является не только структурным, но и функци-ональным образованием. Есть участки, в которых нет петель. Укорочение за счет петель проходит в 20-30 раз. 4. Уровень метафазной хромосомы Общее "укорочение" нити ДНК составляет 10 000 раз.  Чем обеспечивается этот уровень пока не совсем понятно.  Метафазная хромосома уже удвоена. Она состоит из двух хроматид. Каждая из них содержит одну молекулу ДНК. Сюда входят белки ядерной ламины, серия белковых нитей, сопряженных с ядерной оболочкой и пронизывающих все ядро.

45. Геномы простейших однокл.эукариот. Геном Saccharomyces cerevisiae.   Schizosaccharomyces pombe. Геном Saccharomyces cerevisiae: было определено 12 млн 68 тпн, хотя весь полный геном, расположенный в 16 хромосомах составляет 13 389 тпн. Т. о, более 1 миллиона, приходящихся на повторяющиеся элементы в неск-ких хро-мосомах и, гл. о, на повторы рДНК, расположенные в виде отдельного кластера, на 12 хромосоме, остались не секвени-рованными. Оказалось возможным определить кол-во не се-квенированных повторов. Кластер генов рРНК сост. из 140 повторов и локализовано на 12 хромосоме. Гены малых ядерных РНК разбросаны во многих хромосомах. К особен-ностям организации дрожжей можно отнести участки раз-мером 31 тпн, расположенные по краям самой малой хромо-сомы и практически не содержащей генных посл-тей. Про-веденный анализ нуклеотидной посл-ти позволил выявить 6275 открытых рамок считывания, но 390 из них не транс-лируются в какие-либо белки, поэтом принято считать что у дрожжей 5885 рамок считывания. Интроны дрожжей содер-жат около 4% генов. Геном Schizosaccharomyces pombe: для 50% белковых продуктов из всего «протеома» были вы-явлены их принадлежности к той или иной группе белков. 11% белков протеома дрожжей отвечают за метаболизм, 3% - за репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК, 7 и 6 – за транскрипцию и трансляцию.

46. Геномы беспозвоночных. Геном Caenorhabditis elegans. -Drosophyla melanogaster. -Ciona intestinalis. Геном Caenorhabditis elegans: первый многоклеточный организм, чей геном был полностью секвенирован. Ге-нетический аппарат очень простой: в 6 парах гомологичных хромосом находится примерно 3000 жизненно важных генов. Гаплоидный геном содержит 80 млн пар нуклеотидов. С помощью мутационного анализа идентифицировано 800 генов. Геном дрозофилы меланогастер: содержит 4 пары хромосомы: Х/У пара и 3 аутосомы. Геном состоит из 132 млн пар оснований и приблизительно 13767 генов. Геном дрозофилы содержит около 50 различных семейств мобиль-ных генетических элементов, что составляет 10-15%  ДНК этого вида. Геном Ciona Intestinalis: геном составляет около 160 млн пар оснований.

47. Сравнение организации  геномов позвоночных. Геном Mus musculus. - Homo sapiens. - Pan troglodites.

Геном Mus Musculus: составляет около 3 млн пар оснований и 50 000 генов. Геном Homo sapiens: 3 миллиарда пар нуклеотидов и от 50 000 до 100 000 генов, 21 тыс из которых кодирует белки и разнообразные некодирующие последова-тельности. Полный набор, составляющий геном, содержит 46 хромосом: 44 – аутосомы и 2 половые хромосомы. В че-ловеческом геноме найдено множество различных последо-вательностей, отвечающих за регуляцию гена. В человече-ском геноме содержится масса объектов, они занимают 97% всего объема человеческого генома: повторы, транспозоны и псевдогены. Геном Pan troglodytes: геном шимпанзе насчи-тывает 2,8 миллиардов оснований и черезвычайно похож на геном человека.