1. АТИПИЧНИ ПРЕНОСИ НА ГЕНЕТИЧНАТА ИНФОРМАЦИЯ

Както вече описахме потокът на наследствената информация тече от молекулите на ДНК към РНК, а от там към белтъчините. Този генетичен закон е валиден за цялото биологично царство населяващо нашата планета. Макар срещащи се изключително рядко, възможни са и отклонения от това правило:

• Репликация на РНК

Репликацията на РНК молекули се среща в растителни или животински клетки заразени с РНК вируси – вирус на тютюневата мозайка, вирус на полиомиелита и др. Наследствената информация на тези вируси е базирана на едно или двуверижна РНК молекула. Освен гените, отговарящи за техните инфекциозни качества, тези вируси съдържат и гени кодиращи специфични ензими – РНК репликази. Тези ензими използват РНК молекулата на вируса като матрица за синтезата на нови комплементарни вериги РНК. От своя страна тези комплементарни копия служат като матрица за синтезата на дъщерни молекули РНК, идентични с родителската. По този начин вирусният геном се реплицира използвайки свободните нуклеотиди намиращи се в клетката хазяйн.

• Обратно презаписване

Обратното презаписване на наследствена информация се наблюдава предимно при бозайнически клетки заразени с вируси от род Retroviridae. Наследствената информация на тези вируси е базирана на едноверижна РНК молекула като всяка вирусна частица носи по две копия. Тази особеност ги прави единствените познати диплоидни вируси. Някои представители на тези вируси предизвикват развитието на тумори у животните – саркома по пилетата. В повечето случаи след като инфектират клетката те предизвикват нейният неконтролируем растеж. По-важното обаче е, че този неконтролируем растеж се предава и след деленето на клетката. Установено е, че поколението на майчината клетка също има неконтролируем растеж, но в същото време през целият и жизнен цикъл тя произвежда зрели вирусни частици, които нападат околните клетки. След дългогодишни опити е установено, че по специфичен начин в генома на клетката хазяйн се открива двойноверижно ДНК копие на вирусният геном (базиран на РНК молекула). При репликацията на ДНК на клетката се реплицира и скритото вирусно ДНК копие. Така генетичният код на вируса се предава в поколението на клетката. В зрялата вирусна частица на ретровируса се съдържа ензим наречен обратна транскриптаза. Специфичното за този ензим е, че той използва като матрица РНК молекула. Първоначално се изгражда двойна верига съставена от една майчина РНК молекула и една комплементарна на нея едноверижна ДНК молекула. В последствие двете вериги се разделят и на мястото на РНК молекулата се синтезира ДНК молекула. В края на процеса се получава двойноверижно ДНК копие на РНКовият геном на вируса. Използвайки други ензими (лигази) вирусът разкъсва някоя от веригите на клетката хазяйн и интегрира двойноверижното копие в нейният геном. Наличието на тази вирусна последователност трансформира клетката до раково състояние. При транскрипция на някой от структурните гени се транскрибира и провирусната ДНК, която се превръща в зрял вирус. Един от най-известният ретровируси е Човешкият Имунодефицитен Вирус (ХИВ), който се посочва като причинител на Синдрома на придобита имунна недостатъчност (СПИН).

Рестрикционни и модификационни ензими

Естествен „враг“ на бактериите са една група вируси наречени бактериофаги. След като попаднат в бактериалната клетка те интегрират част от генома си в бактериалната хромозома, като така принуждават клетката да транскрибира и транслира специфични за фага белтъчини. В бозайническият организъм основна роля при защитата от чужди в генетично отношение агенти се базира на имунната система. При бактериите такива сложни имунни взаимодействия не са известни. Те са изградили специфични механизми на разпознаване на чуждите ДНК последователности и тяхното отстраняване от бактериалният геном. Всяка бактерия има специфичен набор от ензими (в зависимост от най-честите „нападатели“), които са способни да разпознаят чуждите ДНК фрагменти. Тези ензими разпознават нуклеотидни последователности от 4 до 8 нуклеотида и могат да разкъсват двойноверижна ДНК. В последствие изрязаните последователности се отстраняват и кръговата хромозома на бактерията отново се затваря. Ензимите извършващи тези манипулации се означават като рестрикционни ензими или рестриктази. Бактериалният геном е предпазен от въздействието на рестриктазите посредством специфичното метилиране на определени участъци от ДНК веригата.

Названията на тези ензими са трибуквени и са свързани с бактериите, от които са изолирани. Първата главна буква съвпада с родовото име, а втората и третата малки букви са първите две букви на вида - например AluI идва от Arthrobacter luteus. Римските цифри са в зависимост от реда на откриването. Често след първите три букви и преди римската цифра има друга буква, показваща щама - например EcoRI, EcoRII са първите две изолирани рестриктази от Escherichia coli. До момента са известни приблизително 3500 вида рестриктазни ензима, всеки от които има различна секвенция на разкъсване.

Съществуват три класа рестриктази:

• I клас – те разпознават определена нуклеотидна последователност и разкъсват двойноверижната ДНК верига без значение при кои нуклеотиди ще стане разкъсването.
• II клас – те разпознават определена нуклеотидна последователност и разкъсват ДНК веригата в определен нейн участък
• III клас – те разпознават определена нуклеотидна последователност и разкъсват двойноверижната ДНК верига на разстояние от няколко нуклеотида от разпознатото място.

В зависимост от типа на крайщата, които рестрикционните ензими образуват при разкъсването на двойната верига ДНК могат да бъдат разделени на два вида:

• Рестриктази образуващи крайща от едноверижни участъци – лепливи крайща
• Рестриктази образуващи двойноверижни крайща – тъпи крайща.

Пример за образуването на лепливи крайща можем да дадем с рестриктаза CfoI:

За образуването на тъпи крайща можем да дадем пример с рестриктаза EcoRV:

Цитоплазмена наследственост

Както при прокариотите, така и при еукариотите наследствената информация на клетката е концентрирана в хромозомите и намиращата се в тях ДНК молекула. Интересен факт е, че наследствена информация се съхранява и в цитоплазмата и по-точно в някои цитоплазмени органели и включения. Въпреки, че гените разположени в цитоплазмените структури са сравнително малко, трябва да отбележим тяхното участието във формирането на генотипа на клетката. Прието е гените, които се намират в хаплоидният хромозомен набор да се означават като геном на клетката, а гените разположени в цитоплазмените структури (плазмогените) формират плазмона на клетката. Цитоплазмени гени се откриват в пластидите, митохондриите, блефаробластите и в центрозомата на клетките, като гените откриващи се в тях се бележат като – пластогени, хондриогени, блефарогени и центриогени.

 

Цитоплазмена наследственост при прокариотните организми

Към тази група се отнасят гените разположени в плазмидите, вирусите и епизомите. Пример може да бъде даден с половият фактор F при някои бактерии. Този фактор представлява епизом и се предава по време на конюгацията на бактериите. Пример за плазмидна наследственост можем да дадем с R факторите които придават на бактериите специфична устойчивост към определени антибиотици. Те представляват пръстеновидни, двойноверижни ДНК молекули, способни да се реплицират самостоятелно. В нуклеотидната им последователност присъстват гени отговорни за синтезата на различни белтъчини, правещи бактериите резистентни към антибиотици. Пример за такива белтъчини можем да дадем с β-лактамазите. Тази група ензими има свойството да разгражда β-лактамните антибиотици – пеницилини, цефалоспорини др. Установени са плазмиди, носещи гени за устойчивост към високи концентрации от други антибиотици, тежки метали и др. Характерното за тях е, че при деленето на клетката R факторите се предават и на дъщерните клетки. Така е възможно да съществуват огромни колонии от бактерии, които не се повлияват от лечението на пациента. Тъй като те придават устойчивост към цели групи антибиотици, лекарят внимателно трябва да следи здравословното състояние на пациента и при незадоволителни резултати от лечението трябва да назначи антибиотик от друга терапевтична група. Характерна особеност на пластидите е тяхната автономна репликация, независеща от етапа на развитие на клетката в която се намират. Повечето познати плазмиди имат способността да се самореплицират много бързо като за времето на една репликация на бактериалната хромозома те се реплицират около 30 пъти. По време на репликацията е възможна рекомбинация между различните плазмиди в клетката като така се образуват нови комбинации от плазмидни гени. Съществуват плазмиди които могат да включат в себе си цялата бактериална хромозома, като при преминаването от клетка в клетка, те пренасят и бактериалната хромозома. Този тип плазмиди се използват в генното инженерство при секвенирането на непознати хромозоми. Друга тяхна особеност е способността им да се интегрират в бактериалният геном, а в последствие и да се реплицират заедно с него. Тези две техни свойства се използват в методите на генното инженерство.

 

Цитоплазмена наследственост при еукариотните организми

• Пластиди - те са самовъзпроизвеждащи се клетъчни органели, които при клетъчното делене се разпределят равномерно в дъщерните клетки. За първи път тяхното действие върху организма било наблюдавано при растението нощна красавица. При него се установяват два вида пластиди – нормални и неспособни да образуват хлорофил пластиди. Така някои индивиди притежават само нормалният вид пластиди и листата им имат зелен цвят. Други придежават и двата вида пластиди и при тях отделни участъци са зелени (наличие на хлорофил), а други остават бели. Установено е, че в пластидите се намира голямо количество ДНК, която от една страна е автономна, но понякога влиза във взаимоотношения с ядрените гени.
• Митохондрии - те са жизененоважни клетъчни органели отговорни за дишането на клетката. Както бе описано по-горе те притежават собствена ДНК, РНК и специфични белтъци. Тяхната автономност е толкова голяма, че дори генетичният код, който е идентичен за всички живи организми на Земята, при тях е различен. Митохондриалната ДНК е концентрирана в кръгови молекули не съдържащи хистони и кодира собствени иРНК, рРНК и тРНК. Характерно за митохонтриалната ДНК е нейната консервативност и изключително слаба изменчивост. Характерно за рибозомите е, че те се самовъзпроизвеждат чрез делене независимо от ядрените гени. При разделянето  на клетката във всяка дъщерна клетка попадат приблизително равни количества рибозоми. Изследването на рибозомалната ДНК е един от най-точните методи за доказване на майчинство, тъй като в процеса на оплождането яйцеклетката представлява „пълна“ клетка с всички клетъчни органели, включително и рибозоми. При оплождането от сперматозоида навлиза само неговото ядро, което в последствие се обединява с това на яйцеклетката и се образува зигота. Това означава, че в зиготата, а и във всички клетки на растящият организъм ще се открива рибозомална ДНК идентична с тази на майката. При съответствие между рибозомалната ДНК на майка и предполагаемо нейно дете, достоверността за родственост е приблизително 100%. Базирайки се на този феномен, скоро бе започнат международен проект на ООН със заглавие „В търсене на биологичната Ева“.

 

Въпроси за самоподготовка!

Репликацията на РНК молекули се среща в растителни и животински клетки в случаи на:

1. Заразяване с ДНК вируси
2. Заразяване с РНК вируси
3. Заразяване с приони
4. Заразяване с бактериофаги

Рестрикционните ензими биват:

1. Ензими от I, II и III клас
2. Ензими за синтез на РНК
3. Ензими за синтез на ДНК
4. Ензими за превръщане на ДНК в РНК

Цитоплазмена наследственост при еукариотните организми се открива в:

1. Пластиди и митохондрии
2. Плазмиди и нуклеозоми
3. Рибозоми и микротръбички
4. Нито един от посочените