Патрушев Л. И. Экспрессия генов

Предисловие редактора 9

Предисловие автора 12

ЧАСТЬ I. МЕХАНИЗМЫ ХРАНЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 17

ВВЕДЕНИЕ 18

Глава 1. ГЕНОМ 25

1.1. Гены и хромосомы 27

1.2. Геном прокариот 30

1.2.1. Геном вирусов 31

1.2.2. Нуклеоид бактериальной клетки 32

1.2.3. Геном архебактерий 35

1.2.4. Минимальный размер генома одноклеточных организмов 37

1.3. Геном эукариот 40

1.3.1. Последовательности нуклеотидов эукариотического генома 41

1.3.2. Хроматин 45

1.3.3. Роль ДНК-топоизомераз в обеспечении структуры и функционирования хроматина 56

Глава 2. РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ 61

2.1. Транскрипция 62

2.1.1. ДНК-зависимые РНК-полимеразы 63

2.1.2. Единицы транскрипции (транскриптоны) 73

2.1.3. Этапы транскрипции 80

2.1.4. Хроматин во время транскрипции 113

2.2. Котранскрипционные и посттранскрипционные модификации РНК 124

2.2.1. Процессинг РНК у бактерий 125

2.2.2. Редактирование пре-мРНК 132

2.2.3. Другие модификации эукариотических мРНК 143

2.2.4. Кэп-связывающий комплекс в роли фактора, сопрягающего основные реакции метаболизма транскриптов РНК-полимеразы II 163

2.3. Функциональная компартментализация ядра 168

2.3.1. Интерфазные хромосомы в ядре 169

2.3.2. Ядрышко 171

2.3.3. Пространственная организация синтеза мРНК 173

2.3.4. Ядерные тельца и домены 176

2.3.5. Компартментализованное ядро 178

2.4. Биосинтез белка рибосомами бактерий 180

2.4.1. Рибосомы 181

2.4.2. Этапы биосинтеза белка 187

2.4.3. Антибиотики, действующие на уровне трансляции 197

2.5. Трансляция у эукариот 201

2.5.1. Особенности первичной структуры эукариотических мРНК 202

2.5.2. Инициация биосинтеза белка эукариотическими рибосомами 203

2.5.3. Элонгация полипептидных цепей 212

2.5.4. Терминация трансляции 214

2.5.5. Трансляция в митохондриях 216

2.5.6. Трансляция в хлоропластах. 220

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ПУТИ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ 224

3.1. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции у прокариот 226

3.1.1. Регуляция на уровне инициации транскрипции 226

3.1.2. Регуляция синтеза РНК на уровне элонгации и терминации 230

3.2. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции у эукариот 239

3.2.1. Передача сигнала и вторичные мессенджеры 242

3.2.2. Механизмы позитивной регуляции транскрипции 260

3.2.3. Механизмы негативной регуляции транскрипции 295

3.2.4. Структура хроматина как специфический регулятор экспрессии генов 303

3.2.5. Импринтинг 317

3.2.6. Метилирование ДНК в регуляции транскрипции 317

3.3. Посттранскрипционная регуляция экспрессии генов 327

3.3.1. Направленный транспорт, внутриклеточная локализация и депонирование мРНК 327

3.3.2. Сплайсинг РНК в регуляции экспрессии генов 340

3.3.3. Избирательная деградация мРНК 351

3.4. Регуляция экспрессии генов на уровне трансляции 356

3.4.1. Регуляция инициации трансляции 356

3.4.2. Регуляция элонгации синтеза полипептидных цепей 365

3.4.3. Регуляция терминации трансляции 368

3.5. Синтез белков, содержащих остатки селеноцистеина 369

3.6. Посттрансляционная регуляция экспрессии генов 371

3.6.1. Последствия фолдинга вновь синтезированных полипептидных цепей 371

3.6.2. Специфические протеиназы в посттрансляционном процессинге белков 374

3.6.3. Убиквитин-зависимая система протеолиза в регулируемой деградации белков 375

3.6.4. Сплайсинг белков 379

3.6.5. Другие посттрансляционные модификации белков 384

Глава 4. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 388

4.1. Репликация ДНК 388

4.1.1. Белки, участвующие в репликации ДНК 389

4.1.2. Репликативная вилка E. coli и бактериофага T4 392

4.1.3. Особенности функционирования репликативной вилки эукариот 398

4.2. Регуляция репликации ДНК 401

4.2.1. Инициация репликации ДНК у E. coli и ее регуляция 403

4.2.2. Регуляция репликации плазмиды ColE1 412

4.3. Особенности репликации линейных геномов 420

4.3.1. Линейные хромосомы бактерий 421

4.3.2. Репликаторы эукариот 424

4.3.3. Репликация теломерных участков эукариотических хромосом 426

4.3.4. Пространственная организация синтеза ДНК у эукариот 428

Глава 5. ЗАЩИТА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 431

5.1. Мутации 432

5.1.1. Основные источники мутаций и методы определения мутагенной активности 434

5.1.2. SOS-мутагенез у бактерий 447

5.1.3. Мутаторный фенотип 451

5.1.4. Экспансия ДНК 454

5.1.5. Адаптивные мутации 458

5.1.6. Механизмы защиты генома от мутаций 462

5.2. Репарация ДНК 463

5.2.1. Основные механизмы репарации поврежденной ДНК 464

5.2.2. Эксцизионная репарация в клетках животных 466

5.2.3. Гомологичная рекомбинация в репарации ДНК 479

5.2.4. Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов 481

5.2.5. Полимераза поли(ADP-рибозы) в репарации ДНК у эукариот 484

5.3. Альтруистичная ДНК 488

5.3.1. Парадокс возможности существования многоклеточных организмов 490

5.3.2. Повышение информационной стабильности генома избыточными последовательностями 493

5.3.3. Селективная защита генов от мутаций 498

5.3.4. Высокоупорядоченное расположение летальных генов на хромосомах 506

5.3.5. Возможный смысл парадокса С 514

Глава 6. СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ГЕНА 520

ЧАСТЬ II. ИСКУССТВЕННЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 529

Глава 7. ПРИНЦИПЫ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ 530

7.1. Основные ферменты, используемые в генной инженерии 537

7.1.1. Рестриктазы и ДНК-метилазы 537

7.1.2. ДНК- и РНК-лигазы 546

7.1.3. Ферменты матричного синтеза ДНК и РНК 547

7.1.4. Другие ферменты 553

7.2. Векторы 555

7.2.1. Плазмидные векторы 557

7.2.2. Векторы на основе фага  561

7.2.3. Космиды и фазмиды 566

7.2.4. Сверхъемкие векторы YAC, BAC и PAC 568

7.2.5. Интегрирующие и челночные (бинарные) векторы 572

7.2.6. Конструирование экспрессирующих векторов и их функционирование 575

7.2.7. Векторы для переноса ДНК в клетки животных и растений 591

7.3. Клонотеки генов 594

7.3.1. Получение клонотек генов 594

7.3.2. Введение рекомбинантных ДНК в клетки 597

7.3.3. Методы скрининга клонотек генов 598

7.4. Эукариотические системы экспрессии рекомбинантных генов, основанные на культурах клеток 600

7.4.1. Клетки яичников китайских хомячков (линия CHO) 602

7.4.2. Клетки мышиной миеломы (линия Sp2/0) 605

7.4.3. Клетки селезенки мышей (линия MEL) 606

7.4.4. Клетки африканской зеленой мартышки (линия COS) 608

7.4.5. Клетки насекомых, зараженные бакуловирусами 609

7.4.6. Сравнение эффективности рассмотренных систем экспрессии 610

7.5. Бесклеточные белоксинтезирующие системы 611

7.5.1. Прокариотические системы 613

7.5.2. Эукариотические системы 616

7.5.3. Проточные системы 618

7.6. Другие современные методы исследования генов 619

7.6.1. Рестрикционное картирование генов 619

7.6.2. "Прогулки и прыжки по хромосомам" 620

7.6.3. S1-картирование РНК и ДНК 623

7.6.4. Футпринтинг 623

7.7. Стратегия выделения нового гена 624

Глава 8. НАПРАВЛЕННЫЙ МУТАГЕНЕЗ И БЕЛКОВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ 627

8.1. Методы направленного получения мутаций 628

8.1.1. Получение делеций и вставок 628

8.1.2. Химический мутагенез 631

8.1.3. Сайт-специфический мутагенез с использованием олигонуклеотидов 633

8.1.4. Полимеразная цепная реакция в направленном мутагенезе 640

8.2. Белковая инженерия 644

8.2.1. Библиотеки пептидов и эпитопов 644

8.2.2. Белки-репортеры в гибридных белках 653

8.2.3. Гибридные токсины 654

8.2.4. Подходы к созданию новых ферментов 660

8.2.5. Субтилигаза в лигировании пептидов 664

8.3. Концепция ксенобиоза 668

Глава 9. АНТИСМЫСЛОВЫЕ РНК, РИБОЗИМЫ И ДЕЗОКСИРИБОЗИМЫ 677

9.1. Антисмысловые РНК и олигонуклеотиды 677

9.1.1. Механизм действия антисмысловых РНК 678

9.1.2. Использование антисмысловых РНК 680

9.1.3. Природные антисмысловые РНК 685

9.1.4. Антисмысловые РНК и патология: возможный механизм возникновения доминантных мутаций 688

9.2. Рибозимы и дезоксирибозимы 689

9.2.1. Типы рибозимов 690

9.2.2. Свойства рибозимов 692

9.2.3. Рибозимы как лекарственные средства 696

9.2.4. Репарация мутантных РНК с помощью рибозимов, осуществляющих транс-сплайсинг 702

9.2.5. Дезоксирибозимы 706

9.3. Аптамеры 708

9.4. Молекулы РНК у истоков жизни 711

9.4.1. Молекулы РНК в качестве РНК-репликаз 712

9.4.2. Возможность синтеза полипептидных цепей молекулами РНК 715

Глава 10. ТРАНСГЕННЫЕ ЖИВОТНЫЕ И РАСТЕНИЯ 720

10.1. Способы получения трансгенных многоклеточных организмов 720

10.2. Экспрессия трансгенов 723

10.3. Использование трансгенов у животных 724

10.3.1. Исследование механизмов экспрессии генов 725

10.3.2. Токсигены в исследовании дифференцировки соматических клеток в онтогенезе 726

10.3.3. Изменение физиологического статуса лабораторных и сельскохозяйственных животных 728

10.3.4. Моделирование наследственных и приобретенных заболеваний человека 730

10.4. Трансгенные растения 733

10.5. Генотерапия наследственных и приобретенных заболеваний 735

10.5.1. Способы доставки новых генов в геном человека 737

10.5.2. Управление экспрессией трансгенов в клетках-мишенях 742

10.5.3. Современные достижения генотерапии онкологических заболеваний 744

10.5.4. Ближайшие перспективы использования генотерапии 749

10.5.5. Успехи генотерапии в модельных экспериментах 751

10.5.6. Проблемы, возникающие в связи с практическим применением генотерапии 752

Глава 11. ДНК-ДИАГНОСТИКА И ДНК-ТИПИРОВАНИЕ 753

11.1. ДНК-диагностика наследственных и приобретенных заболеваний 757

11.1.1. Получение клинического генетического материала 757

11.1.2. Диагностика заболеваний 759

11.2. ДНК-типирование 772

11.2.1. ДНК-типирование микроорганизмов 773

11.2.2. Идентификация личности на основе минисателлитной ДНК: определение отцовства 776

11.3. Микроматрицы и микрочипы ДНК 785

11.3.1. Методы создания микроматриц ДНК 786

11.3.2. Ограничения в использовании микроматриц ДНК 789

11.3.3. Использование микроматриц ДНК в фундаментальных и прикладных исследованиях 791

Глава 12. КАРТИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА 795

12.1. Основные подходы к картированию генома человека 795

12.1.1. Генетические карты сцепления 796

12.1.2. ПЦР в исследованиях генома человека 801

12.1.3. Физические карты низкого разрешения 803

12.1.4. Физические карты высокого разрешения 805

12.2. Определение полной первичной структуры ДНК генома человека 807

12.3. Базы данных получаемой информации 808

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 811

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 816