34. Гаметогенез у многоклеточных животных. Мейоз.

Гаметогенез - процесс развития и формирования половых клеток — гамет. Гаметогенез мужских гамет (сперматозоидов, спермиев) называют сперматогенезом, женских гамет (яйцеклеток) — оогенезом. У животных и растений гаметогенез протекает различно, в зависимости от места мейоза в жизненном цикле этих организмов.

У многоклеточных животных гаметогенез происходит в специальных органах — половых железах, или гонадах (яичниках, семенниках, гермафродитных половых железах), и складывается из трёх основных этапов: 1) размножение первичных половых клеток — гаметогониев (сперматогониев и оогониев) путём ряда последовательных митозов, 2) рост и созревание этих клеток, называют теперь гаметоцитами (сперматоцитами и ооцитами), которые, как и гаметогонии, обладают полным (большей частью диплоидным) набором хромосом. В это время совершается основное событие Г. у животных — деление гаметоцитов путём мейоза, приводящее к редукции (уменьшению вдвое) числа хромосом в этих клетках и превращению их в гаплоидные клетки - сперматиды и оотиды; 3) формирование сперматозоидов (либо спермиев) и яйцеклеток; при этом яйцеклетки одеваются рядом зародышевых оболочек, а сперматозоиды приобретают жгутики, обеспечивающие их подвижность. У самок многих видов животных мейоз и формирование яйца завершаются после проникновения сперматозоида в цитоплазму ооцита, но до слияния ядер сперматозоида и яйцеклетки.

Мейоз — это способ деления клеток, в результате которого из одной диплоидной материнской клетки образуются четыре гаплоидные дочерние клетки. Образовавшиеся в результате мейоза клетки различаются своими хромосомными наборами, что обеспечивает разнообразие живых организмов. Число хромосом при мейозе уменьшается в два раза, что необходимо при половом размножении. Процесс оплодотворения опять восстанавливает в зиготе диплоидный набор хромосом.

35. Молекулярная организация генов эукариотической клетки. Экзоны. Интроны. Процессинг эукариотических иРнк.

Практически вся генетическая информация у эукариот содержится в линейно-организованных хромосомах, находящихся в клеточном ядре. Внутриклеточные органеллы — митохондрии и хлоропласты — имеют свой собственный генетический материал. Геномы митохондрий и пластид организованы как прокариотические геномы.

Экзоны — участки ДНК, копии которых составляют зрелую РНК. По мнению некоторых исследователей экзоны соответствуют доменам (структурно автономным областям) в белке и являются первичными генетическими единицами, перекомбинация которых приводит к возникновению в ходе эволюции новых генов и соответственно новых белков. Экзоны чередуются в структуре гена с другими фрагментами — интронами. При альтернативном сплайсинге некоторые экзоны удаляются из зрелой РНК.

Зрелая РНК может образоваться в результате:

- удаления интронов из незрелой мРНК в процессе цис-сплайсинга

- объединения и лигирования двух или более незрелых мРНК в процессе транс-сплайсинга.

Зрелая РНК может кодировать полипептид (мРНК) или выполнять некодирующие функции (входить в состав рибосомы, рРНК или участвовать в трансляции в случае тРНК). В зависимости от контекста, экзон может соответствовать последовательности нуклеотидов и ДНК, и транскрипта РНК.

Интроны — участки ДНК, копии которых удаляются из первичного транскрипта и отсутствуют в зрелой РНК.

После транскрипции последовательности нуклеотидов, соответствующие интронам, вырезаются из незрелой мРНК (пре-мРНК) в процессе сплайсинга. Интроны характерны для генов эукариот. Интроны также найдены в генах, кодирующих рибосомальные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК) и некоторые белки прокариот, эти интроны вырезаются на уровне РНК за счёт автосплайсинга. Число и длина интронов очень различны в разных видах и среди разных генов одного организма. Например, геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae содержит в целом 293 интрона, в то время как в человеческом геноме можно насчитать свыше 300 тысяч интронов. Обычно интроны длиннее экзонов.

Под процессингом РНК понимают процесс ее созревания, который протекает в период и после ее транскрипции и предшествует процессу трансляции.

РНК синтезируется на участке одной из цепей ДНК, и этот процесс называется транскрипцией. Между транскрипцией и трансляцией с РНК происходит ряд превращений, в результате которых она становится функционально активной. Эти модификации в совокупности называют процессингом. Некоторые его этапы протекают уже в момент транскрипции.

Кэпирование. Еще на этапе транскрипции к начальному (5') концу молекулы РНК через трифосфатный (три остатка фосфорной кислоты) мостик присоединяется молекула метилгуанозина, которая представляет собой метилированное азотистое основание гуанозин. Также у первых двух нуклеотидов мРНК метилируются остатки рибозы. Эти процессы называются кэпированием, образуется кэп (шапочка). Он защищает молекулу от ферментативного распада, участвует в других этапах процессинга, инициирует трансляцию.

Полиаденилирование. После завершения транскрипции к концу (3') РНК присоединяется множество адениновых нуклеотидов (от 100 до 250). Образуется полиадениловый конец — поли-А. Он также выполняет защитную функцию, предотвращая действие ферментов-разрушителей.

Сплайсинг. Молекула-предшественник мРНК (пре-мРНК) представляет собой копию участка ДНК (гена), включающего нетранслируемые области (находящиеся на концах) и чередующиеся интроны и экзоны. Интроны не участвуют в трансляции и должны быть удалены перед ней. Сплайсинг — это процесс разрезания мРНК, удаление интронов и сшивание между собой оставшихся экзонов.

В результате сплайсинга длина молекулы мРНК сокращается в разы. Процесс катализируется специальным комплексом — сплайсосомой, включающей малые ядерные РНК и белки-ферменты. Экзоны могут быть сшиты между собой разными способами (по-разному чередоваться, какие-то могут быть опущены). Данное явление называется альтернативным сплайсингом. В результат одна пре-мРНК может дать несколько разных мРНК, на которых будут синтезироваться разные белки.

Транспортные РНК (тРНК) также нередко претерпевают процессинг. Однако он у них другой, в основном связан с метилированием отдельных нуклеотидов. В результате тРНК принимает характерную для нее форму и становится активной (способной связываться с аминокислотами).

Процессинг рибосомальных РНК (рРНК) в основном сводится к разрезанию общего транскрипта (пре-рРНК), из частей которого образуют три разных молекулы рРНК (из четырех).

После процессинга зрелые молекулы мРНК, тРНК, сформированные субчастицы рибосом (содержащие рРНК) транспортируются из ядра в цитоплазму, где, выполняя каждая свою роль, обеспечивают процесс трансляции (синтез белка).