Глава 1 Гени, хромосоми, клітинний поділ

Характер усіх живих організмів є наслідком взаємодії навколишнє середовище і гени . Наприклад, ризик розвитку раку товстої кишки збільшується за рахунок дієтичних факторів, таких як високий вміст жиру та низька кількість клітковини. Але певна генетична алель (версія послідовності генів) у певних осіб забезпечує високий ризик раку товстої кишки, навіть при дієті з низьким ризиком.

ВІДБОР ЗРАЗКІВ ГЕНІВ СЕРЕДОВИЩАПоліморфізм КласНавколишнє середовищеАль-експозиція Асоційоване захворювання

CYP1A1	Активація	Куріння	Рак легенів
NAT2	Детоксикація	Куріння	Сечовий міхур, рак молочної залози
GSTT1 (нуль)	Детоксикація	Хлоровані розчинники	Рак, токсичність
Параоксоназа	Детоксикація	Нервові агенти, пестициди	Пошкодження нервової системи
HLA-H	Харчові фактори	Залізо в дієті	Гемохроматоз
TGF-	Фактор росту	Куріння матері	Розщеплення губи та піднебіння
Локус на хромі. 17 у мишей	Імунна/запальна реакція	Озон	Запалення легенів
Маркер ставки HLA-DP1	Імунна відповідь	Берилій	Хронічна хвороба берилію (розлад легенів)
АЛАД	Біосинтез	Вести	Свинцеве отруєння

Джоселін Кайзер, Science Magazine, 278: 569 - 570, 24 жовтня 1997 р

Різниця між алелями, які можна виявити в ДНК, називається а поліморфізм. Читайте Екологічний інститут розробляє плани полювання на гени.

Гени містять інформацію клітини, яка успадковується майбутніми клітинами. Кожна клітина повинна точно скопіювати свою хромосому і передати ідентичну копію кожній дочірній клітині. Звичайно, трапляються рідкісні "помилки" - клітини насправді еволюціонували на користь рідкісні помилки. Чому? (Див. Тиждень 8, Молекулярна еволюція)

Експерименти, покликані продемонструвати генетичний або екологічний компонент ознаки, як правило, спрямовані на підтримку всіх компонентів постійними, крім випробуваного. Як результат, той, хто вивчає синдром Дауна, може зробити висновок, що основою інтелекту є генетика; тоді як хтось, хто вивчає отруєння свинцем, дійшов би висновку, що основою інтелекту є навколишнє середовище. Насправді всі ознаки - зовнішній вигляд, розвиток, поведінка - залежать від обох генів та середовища.

Шанс також визначає розвиток організму. Наприклад, особи з хромосомною аномалією синдрому Дауна можуть випадково розвинутися до широкого діапазону - деякі розвиваються настільки сильно, що гинуть до народження; інші мають серйозні вади серця та інші фізичні проблеми; розумові затримки варіюються від важких до незначних; деякі мають незначні фізичні проблеми і можуть відвідувати коледж. Жодна з цих варіацій не може бути передбачена на основі генів, лише на основі випадкових наслідків у розвитку.

Рівні організації в живих системах

Молекула - Клітина - Організм - Населення - Екосистема - Біосфера

KAP - Передача інформації між рівнями, шляхом експресії та розвитку генів та генетичних змін.

Історія генетики

Проте більшу частину цього часу люди навіть не уявляли, як риси успадковуються. Чому?
Нащадки схожі на батьків (або ні) здивовано складними способами. Це тому, що особини в природі містять багато гени, і багато різних версій ( алелі ) кожного гена. Розглянемо ці три окремі орхідеї:

Фотографії орхідей

Що відбувається, коли ви їх розводите? Спробуй -- Орхідея хрест. (Щоб перетнути, клацніть на одній з орхідей.)

У 1866 році Грегор Мендель виявив самостійний асортимент ознак, домінантний та рецесивний вираз. Риси з’являються парами; відокремлювати самостійно в гаметах; рекомбінувати парами, у потомстві. (Сьогодні ми знаємо, що Мендель вивчав лише незв’язані ознаки: на окремих хромосомах або настільки далеко, що частота кросинговеру наближалася до 50%).

1905 - Нетті Стівенс спостерігається в Тенебріо жуки, що всі пари гомологічних хромосом однакового розміру, за винятком однієї пари, яка визначає стать - X, Y.

1909 - Томас Х. Морган корелює Х-хромосому із пов'язаним статевим спадком ознакою білого ока у Дрозофіла -- штам мух, виявлений лаборантом переддипломної освіти, очищаючи старі пляшки від мух у лабораторії Моргана. Морган продовжив багато важливих відкриттів у генетиці мух та аналізі зв’язків, які стосуються всіх диплоїдних організмів.

1941 - Бідл і Татум визначено в Neurospora, що кожен ген кодує один продукт (білок). (Пізніше ми дізналися, що РНК може бути продуктом, який не завжди транскрибується в білок; наприклад, рибосомна РНК.)

1944 - Освальд Евері ідентифікував ДНК як генетичний матеріал. Шматочки ДНК можуть переносити гени в клітини бактерій і генетично трансформувати їх.

1961 - Якоб і Моно з'ясували регуляцію оперону Lac.

1960-ті - Барбара Макклінток відкрила транспортувальні елементи в кукурудзі; пізніше виявлений у бактерій і тварин.

1970 - Темін та Балітімор відкрили зворотну транскриптазу в ретровірусах; пізніше використаний фермент для клонування генів на основі РНК, що кодує продукт.

1977 - Максам, Гілберт, Сангер та інші - розробили методи секвенування ДНК.

1987 - Кері Мулліс винайшов полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР), використовуючи термостабільний фермент з термофільної бактерії, виявленої Томасом Броком на гейзері в Єллоустоні. Малліс продав процес фармацевтичній компанії і заробив дуже мало. Брок не заробив ні цента.

1995 - Повна послідовність бактеріального геному, Haemophilus influenzae, була повністю визначена.

1996 - Ян Вілмут клонував ягня Доллі із тканини дорослих молочних залоз.

1999 - Завершення першої послідовності хромосоми людини, номер 22.

2000 - Завершення геному людини.

2010 - Цілі органи, вирощені в культурі?

2020 - Шимпанзе/гібриди людини вимагають прав людини?

2050 - Самосвідомі комп’ютери вимагають прав людини?

Геном кишкова паличка містить 4,6 млн. пар основ, що кодують 4400 генів.

Геном людини містить в ядрі 3 мільярди пар основ, але лише 30,00-40 000 генів (за оцінками), що займає 3% послідовності. Решта включає регуляторні області та великі ділянки повторюваної послідовності невідомої функції.

Весь геном був секвенуваний для кількох мікробів, а також кількох тварин і рослин. Приклади включають:

Т. А. Браун, Геноми, BIOS

Геноми мікробів зазвичай містять переважно гени, що кодують білки.
Багатоклітинні еукаріоти (тварини і рослини) мають гени, перемежовані між великими ділянками повторювана послідовність (супутникова ДНК).
Гени людини та інших еукаріотів перериваються інтрони невідомої функції.
У міру розвитку геномів деякі гени випадково роблять додаткові копії, які вироджуються через мутації, стаючи псевдогени.

Геноми різних організмів мають багато спільного. Таким чином, ми можемо використовувати модельні системи для висунення гіпотез про біологію людини. Ми можемо дізнатися дивовижну кількість людської біології з геномів дріжджів, C. elegans, Дрозофіла, і миша. Остання запропонована модель геному - шимпанзе.

Геном шимпанзе може дати нам стійкі до раку гени.
Щоб створити "модельні системи" для захворювань людини, ми могли б помістити гени хвороб людини в шимпанзе.
Що можуть сказати про це шимпанзе?

Будова хромосом

Догори

Навчальний план

Слайди

Прокаріоти
Клітини прокаріотів (бактерії) містять свою хромосому як кругова ДНК. Зазвичай весь геном являє собою єдине коло, але часто є додаткові кола, що називаються плазміди. ДНК доступна ферментам, які утворюють РНК та білок (див. Тиждень 4, 5).
Від Бактеріальна різноманітність

ДНК бактерій упаковується в петлі туди-сюди. Зв'язана ДНК називається нуклеоїд . Він концентрує ДНК у частині клітини, але це так не відокремлений ядерною мембраною (як у еукаріотів.) ДНК утворює петлі вперед і назад до білкове ядро, прикріплене до клітинної стінки.

Від Бактеріальна різноманітність
Еукаріоти
Еукаріотичні клітини містять свою ДНК в межах ядерна мембрана .

Подвійна спіраль ДНК пов'язана з білками, які називаються гістони . Гістони мають позитивно заряджені (основні) амінокислоти, що зв’язують негативно заряджену (кислу) ДНК. Ось SDS-гель білків гістону, розділений за розмірами (ті, що мігрують далі, менші).

ДНК обертається навколо ядра гістону з восьми білкових субодиниць, утворюючи нуклеосома . Нуклеосома затиснута гістоном Н1. Близько 200 пар основ (bp) ДНК спіралі навколо одного гістона. Котушка "розкручується" так, щоб генерувати один негативний надвиток на нуклеосому.

Життя, наука про біологію, Пурвес, Оріанс та Хеллер, 5-е видання, 1997
Клацніть на зображення, щоб побачити молекулярну структуру
з Банку даних білків (pdb 1aoi)

Ця форма ДНК є активний хроматин; його можна "експресувати" (транскрибувати та транслирувати) для утворення РНК та білків (4, 5 тиждень).
Після реплікації ДНК на мітоз (поділ клітин), хроматин конденсується. Нуклеосоми зигзагоподібно туди-сюди утворюють плоску стрічку:

Життя, наука про біологію, Пурвес, Оріанс та Хеллер, 5-е видання, 1997

Стрічка утворює котушку, яка потім петляє вперед і назад, прикріплену до ядерна матриця -- подібний до білкового ядра бактерій, але сильно розширений. Під час мітозу ще кілька шарів намотування повністю призводять конденсований хроматин (див. підручник гл. 9).

У мітозі хромосоми виглядають як товсті паличкоподібні тіла, які можна фарбувати та візуалізувати під світловою мікроскопією.
Сучасний спосіб візуалізації конденсованих хромосом - це FISH - флуоресценція in situ гібридизація . У цьому методі флуоресцентні зразки ДНК, мічені антитілами, гібридизуються до їх комплементарних послідовностей у хромосомах. Використовуючи зонди FISH з різнокольоровими флуорофорами, можна незалежно пофарбувати кожну хромосому людини і таким чином ідентифікувати всі 23 хромосоми. Це називається розпис хромосом.

Поділ клітини

Два різні механізми роблять це в клітинах:

Розщеплення клітин бактерій, в якому реплікується кругова хромосома.

Еукаріотичний клітинний цикл, включаючи Мітоз, при якому множинні лінійні хромосоми відокремлюються та передаються.

Розщеплення клітин бактерій

Патогенний Кишкова паличка прикріплений до клітини людини.
Донненбергська лабораторія

Реплікація хромосоми починається з початку, прикріпленого до клітинної стінки, біля одного полюса клітини.
Реплікація відбувається двонаправлено навколо хромосоми, оскільки клітина видовжується.
Нові розмножувальні виделки можуть розпочатися до того, як відбудеться перший поділ клітини. Це явище дозволяє надзвичайно швидкі темпи розмноження.

Зростання клітин еукаріотів
У еукаріотів реплікація ДНК насправді відбувається в S-фазі інтерфази. Міжфазна: G1, зростання; S, напівконсервативний синтез ДНК; G2, підготовка до мітозу. Мітоз лише відокремлює недавно відтворені хромосоми; Реплікація ДНК робить ні виникають під час мітозу.

Основна проблема еукаріотів полягає в тому, що їм доводиться копіювати лінійні хромосоми зі спеціальними називаними кінцями теломери. Для цього їм потрібно використовувати спеціальний фермент, який називається теломераза, насправді пов'язана із зворотною транскриптазою вірусу ВІЛ. Активність теломерази може зіграти вирішальну роль у старінні людини; якщо кінці хромосом не відтворюються належним чином, хромосоми поступово втрачають частини своєї кінцевої послідовності.

Щоб отримати додаткову інформацію про теломеразу, перейдіть тут.
Ген теломерази може продовжити життя клітин людини, можливо, запобігаючи старінню! (Або це спричинить вірулентний рак?)

Клітинний відділ еукаріотів--Мітоз Клацніть на малюнок для етапів:

Мітоз - фільм
Мейоз:
Відділ для отримання статевих клітин
Т. А. Браун, Геноми, BIOS
Що відбувається з номером копії хромосом (плоїдія) під час реплікації ДНК з подальшим мітозом або мейозом?
Мітоз: 2N -> 4N -> 2N
Мейоз: 2N -> 4N -> 2N -> 1N

Проблеми:

(1) Бактерії можуть ДВІЧ поділитись за час, необхідний для повного розмноження
ціле їх коло ДНК. (Це одна з причин, чому діти так швидко хворіють після
їдять Кишкова паличка-забруднений гамбургер.)
Як це можливо? Чи можуть клітини тварин робити те саме? Чому чи чому б ні?

(2) Припустимо, що в полі клітин в тканинній культурі близько п’яти відсотків клітин мають конденсовані хромосоми мітозу. Якщо тривалість мітозу становить п’ять хвилин, який загальний час генерації клітин?