Ген - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определённого признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения. Однако перенос генов от родителей к потомкам не является единственным способом передачи генов. В 1959 году был описан случай горизонтального переноса генов. В отличие от вертикального переноса, в горизонтальном организм передаёт гены организму, который не является его потомком. Этот способ передачи широко распространён среди одноклеточных организмов и в меньшей степени среди многоклеточных.
Гены эукариот
Отметим вначале, что у эукариотических организмов ДНК присутствует не только в ядрах, но и в органеллах - митохондриях, которые есть у всех эукариот, и хлоропластах, имеющихся у зеленых растений. По многим признакам предполагается, что орга-неллы происходят от прокариот: митохондрии от а-пурпурных бактерий, а хлоропласты - от цианобактерий. Их роднят с прокариотами многие черты белок-синтезирующего аппарата. Учитывая направленность интересов генетической инженерии, ограничимся здесь рассмотрением только ядерных генов.
Строение. Гены эукариот по строению и характеру транскрипции значительно отличаются от прокариотических генов. Их отличительной особенностью является прерывность, т. е. чередование в них последовательностей нуклеотидов, которые представлены (экзоны) или не представлены (интроны) в мРНК. Отсюда ясно, что интроны относятся к некодирующим последовательностям. Они могут располагаться не только в области, ограниченной инициирующим и терминирующим кодонами, но и вне их, в начале или в конце гена. Их длина может превышать 10 т.п.н. У низших эукариот прерывные гены составляют меньшинство всех генов (5 % у дрожжей), а у высших - большинство (94 % у млекопитающих). Отметим, что мозаичность генов найдена и в прокариотических клетках.
Эволюционно связанные гены, обладающие высокой степенью физической гомологии, образуют семейства. Белки, кодируемые такими генами, действуя одновременно или на разных этапах развития организма, выполняют одинаковые функции. Например, состав белков в а- и р-цепях гемоглобина крови млекопитающих различен у эмбриона, плода и взрослого организма, что вызвано дифференциальной экспрессией генов, входящих в а- и р-семей-ства глобиновых генов. Наряду с функционирующими генами, в семействах обнаружены нефункционирующие. Такие гены получили название псевдогенов. Они не экспрессируются по различным причинам (изменение рамки считывания из-за делеции или вставки, отсутствие интрона и т. п.).
Характерной чертой генов, входящих в семейство, является сходная картина локализации большинства интронов. Это сходство не ограничивается рамками определенного генома. Так, в случае глобиновых генов сходными по расположению интронов оказались гены у всех исследованных животных - у млекопитающих, птиц и лягушек. Однако длины и нуклеотидные последовательности интронов могут значительно варьировать, меняя тем самым и размеры самих генов.
Транскрипция. Гены эукариот не группируются в опероны, поэтому каждый из них имеет собственные промотор и терминатор транскрипции. Транскрипцию ведут три различные РНК-полимеразы: I, II и III, которые синтезируют рРНК, мРНК и тРНК, соответственно. Как и в случае прокариот, рассмотрим только механизм экспрессии генов, кодирующих белки. Поэтому далее под эукариотической РНК-полимеразой подразумевается РНК-полимераза II. Она состоит из более десятка субъединиц, но все же связываться непосредственно с промотором не может. Ее посадке на промотор способствуют транскрипционные факторы белковой природы. Ряд из них распознают специфические последовательности (боксы) в промоторе.
Длина типового промотора высших эукариот - около 100 п.н. В нем следует различать две части - базовую и дополнительную. Гены, имеющие только базовую часть промотора, функционируют в любых клетках организма и не подвержены ткане-специфичес-кому контролю. Эта часть служит для инициации транскрипции и точной ориентации РНК-полимеразы II относительно первого транскрибируемого нуклеотида. Дополнительная часть совместно с энхансерами используется для повышения эффективности транскрипции и регуляции активности гена.
Прокариоты (лат. Procaryota , от др.-греч. προ «перед» и κάρυον «ядро»), или доядерные - одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являютсяорганеллы эукариотических клеток - митохондрии и пластиды.
Прокариоты разделяют на два таксона в ранге домена (надцарства): Бактерии (Bacteria ) и Археи (Archaea ).
Для клеток прокариот характерно отсутствие ядерной оболочки, ДНК упакована без участия гистонов. Тип питания осмотрофный.
Генетический материал прокариот представлен одной молекулой ДНК, замкнутой в кольцо, имеется только один репликон. В клетках отсутствуют органоиды, имеющие мембранное строение. В геноме могут присутствовать мобильные генетические элементы, а у некоторых прокариот (например, вольбахия) их содержится необычно много. Изучение бактерий привело к открытиюгоризонтального переноса генов, который был описан в Японии в 1959 г. Это процесс широко распространен среди прокариот, а также у некоторых эукариот. Открытие горизонтального переноса генов у прокариот заставило по-другому взглянуть на эволюцию жизни. Ранее эволюционная теория базировалась на том, что виды не могут обмениваться наследственной информацией. Прокариоты могут обмениваться генами между собой непосредственно (конъюгация, трансформация) а также с помощью вирусов -бактериофагов (трансдукция).
Уникальные гены - это гены, которые встречаются в клетке два или несколько раз (до 10-20). Большинство исследователей считает, что у многоклеточных общее число генов в среднем равно сто тысяч и подавляющее их число - это уникальные гены. Характерная черта генов эукариотов - мозаичное экзон-интронное строение. Интроны, не несущие генетической информации, вырезаются (сплайсинг). Число и размер интронов у разных видов варьируется. Присутствие их в гене приводит к значительному увеличению размеров гена. Интроны стабилизируют экзоны, однако существует представление, что интрон - это так называемая «эгоистическая» ДНК, не дающая организму никаких эволюционных преимуществ. Экзоны контролируют синтез белков: 1 экзон - 1 домен .
К повторяющимся генам относятся прежде всего гены больших и малых рРНК и гистонов. Число их сильно варьирует и может достигать более 2000. Гены больших рРНК организованы в блоки, в которых последовательно идут гены 18S рРНК, 58S рРНК и 28S рРНК. Между ними имеются промежутки, различающиеся по длине у разных организмов. Межгенные участки имеют повторы разных типов, с необычной последовательностью, богатых парами ГЦ. Гены низкомолекулярных ядерных РНК блоков не образуют. Гены гистонов повторяются в геноме десятки (у млекопитающих), и сотни (у дрозофилы), и тысячи (у аксолотля) раз. Причем не удается уловить связи между этим показателем и положением организма на эволюционной лестнице.
Перестраивающиеся, или рекомбинирующие, гены - это гены, кодирующие легкие и тяжелые цепи белков иммуноглобулинов , выполняющих функции антител. Гены этих белков состоят из двух типов генов для легких и пяти типов - для тяжелых цепей. Легкие цепи кодируются тремя отдельными генетическими элементами, тяжелые - четырьмя. Перестройки генома приводят к соединению разных участков и в итоге - к образованию иммуноглобулинов разных классов.
Прыгающие гены, или транспозоны, - мобильные генетические элементы . Являясь нормальным компонентом генома, они составляют его значительную часть (у дрозофилы- 7% генома), могут быть представлены многими копиями, рассеянными по геному, и имеют варьирующую локализацию. Структура разных классов мигрирующих элементов (МЭ) варьирует, но для всех их характерно наличие на концах обращенных повторов. В середине МЭ могут иметь уникальные последовательности. МЭ проявляют высокую локусную специфичность, так как могут встраиваться в определенную последовательность на хромосоме.
Повторы на днк
Повторяющаяся ДНК - атрибут любой генетической системы. Еще на самых ранних этапах эволюции, когда возник почти полный репертуар полипептидов - носителей основных молекулярных функций (что-то вроде словаря генетического языка), им уже, по всей видимости была присуща внутренняя периодичность ( Ohno, 1981 , 1984 ; Go, 1983 ). Наличие олигомерных повторов в современных генах и белках объясняют тем, что вообще в любой информационной системе копирование текста - эффективное средство повышения помехоустойчивости при передаче сообщений . Применительно к генетическому языку существование внутригенных повторов резко снижает негативные эффекты таких ошибок, как сдвиги рамки трансляции, различные делеции и вставки ( Ohno, 1984 ). Действительно, белки, чьи гены содержат внутренние олигомерные повторы, также должны обладать периодичной первичной структурой. При этом длина полипептидного повтора будет зависеть от того, кратна ли трем длина соответствующего матричного повтора. Например, повторы из шести нуклеотидов будут порождать исключительно дипептидную периодичность, тогда как пентамерным повторам в гене должна отвечать периодичность той же размерности и в полипептидном продукте ( рис 1 ).
Но, пожалуй, самая интересная особенность таких повторов состоит в том, что они обеспечивают совпадение обеих периодичностей, нуклеотидной и аминокислотной, во всех трех возможных рамках трансляции ( Ohno, 1984 , 1987 ). Поэтому С.Оно и полагает, что еще в самом начале, на заре жизни, когда биохимическая машина трансляции работала с частыми сбоями и когда рамка считывания вряд ли была однозначно фиксирована, как раз такие повторы (длиной, не кратной трем) должны были иметь ощутимое селективное преимущество. В изрядном количестве олигонуклеотидные мотивы именно такой конфигурации присутствуют практически во всех проанализированных генах самых разных видов про- и эукариот. В принципе нельзя исключить, что по крайней мере некоторые из них сохранились с тех давних времен, т.е. являются своеобразными молекулярными реликтами.
Далее, спонтанно возникнув, даже сравнительно короткие повторенные участки существенно увеличивают вероятность дупликации (и автоматически - мультипликации) как их самих, так и тех сегментов генома, которые ими фланкированы ( Smith, 1976 ). Конкретные механизмы внутригеномного размножения повторов могут быть разными (неравный кроссинговер, скользящая гиперрепликация, обратная транскрипция и т.д.), но само размножение представляет собой типичный автокаталитический процесс ( Orgel, Crick, 1980 ; Doolitle et al., 1984 ; и др.). И хотя в целом ряде случаев количество повторов (например, МГЭ) регулируется по принципу обратной связи ( O"hare, Rubin, 1983 ; Simons, Kleckner, 1983 ; Snyder, Doolitle, 1988 ), хотя для любого вида организмов в норме имеются, по-видимому, и неспецифические селективные барьеры на пути "эгоистичного" распространения повторов по геному ( Бердников, Родин, Жарких, 1982 ; Rodin et al., 1985 ; Родин, 1985а,б ), для большинства современных организмов, в особенности эукариотических, характерна чрезвычайно высокая концентрация повторов практически на всех уровнях молекулярно-генетической организации.
Структурные гены - уникальные компоненты генома, представляющие единственную последовательность, кодирующую определённый белок или некоторые виды РН……..
Практически любой ген несёт информацию о строении какой-либо РНК. Эта информация закодирована в определённой последовательности триплетов. Однако сам ген функционировать практически не может.
Необходим целый ряд дополнительных структур, зон или участков, которые не только включают и выключают работу гена, но и меняют интенсивность его работы в зависимости от нужд организма. К таким структурам относится множество разнообразных последовательностей ДНК, которые до настоящего времени не имеют общепризнанной классификации. Мы будем придерживаться наиболее простой (но далеко не полной) классификации. По ней дополнительные структуры подразделяются на два типа – регуляторные зоны и регуляторные гены. Регуляторные зоны это участки ДНК на которых не происходит синтез РНК, но которые служат местом связывания различных белков (или РНК). Эти последовательности часто называют регуляторными зонами, (или регуляторные области, элементы, структуры, участки и др.). На регуляторных генах транскрибируется какая-либо РНК. Эта РНК может не кодировать белок, а осаждаться на регуляторной зоне гена. Но может и нести информацию о каком-либо белеке, тогда с регуляторной зоной связывается кодируемый РНК белок.
Таким образом, в настоящее время большинство учёных приходит к мнению, что наименьшей функциональной областью в ДНК является совокупность состоящая из структурного гена, регуляторных зон и регуляторных генов.
Сам ген представляет в основном кодирующую часть ДНК. Сразу же оговоримся, что у разных генов регуляторные области различны не только по строению, величине и другим параметрам, но и отличаются по пространственному положению относительно гена (или генов), функцию которого они курируют. Понятно, что рассмотреть строение всех известных генов и их регуляторных областей со всеми индивидуальными особенностями в нашем пособии невозможно. Поэтому приведём структуру некого гипотетического гена и его регуляторных областей, обозначив у них те участки, которые наиболее часто встречаются.
Кроме того, мы рассмотрим строение не всех структурных генов, а тех, с которых транскрибируется иРНК, несущая информацию о структуре белка. Это важно помнить, т.к. строение других генов (с которых транскрибируются тРНК, рРНК или регуляторных генов несколько иное).
а. Строение оперона прокариот
Как мы отмечали раньше, для нормального функционирования гена необходимы регуляторные зоны. Регуляторных генов в этом разделе касаться не будем.
У прокариот регуляторные зоны «обслуживают» несколько генов. Эти гены вместе с регуляторными элементами носят название оперон. Таким образом, оперон состоит из двух функционально различных участков: (см. рис. 18, А).
Кодирующего участка, который содержит несколько структурных генов.
Регуляторной зоны, которая включает следующие участки:
а. Стартовый кодон – сайт (место) инициации транскрипции.
б. Терминатор – сайт конца транскрипции.
в. Лидирующую область.
г. Трейлерную область.
д. Промотор.
е. Оператор.
ж. Активатор
з. Спейсеры.
Все эти участки представлены на рисунке 18 (Б,В,Г).
Как отмечали выше третий элемент – регуляторные гены, которые непременно входят в состав наименьшего функционирующего участка, в этом разделе рассматриваться не будут.
Регуляторная зона Кодирующая область (Гены)
А 5’ 3’
Регуляторная зона Ст. 1 Ст. 2 Ст. 3
Б 5’ 3’
Сайт начала транскрипции Терминатор
В 5’ 3’
Лидерная последовательность Трейлерная последовательность.
Ак. Пр. Оп. К о д и р у ю щ а я о б л а с т ь
Г 5’ 3’
Рис. 18. Схема регуляторных и кодирующих элементов оперона прокариот. На рисунке от А до Г повышается детализация строения оперона, его регуляторной и кодирующей области. Ст.1,2,3 – структурные гены. Ак. – активатор, Пр. – промотор, Оп. – оператор.
Кодирующая область (собственно ген) начинается с сайта инициации (стартовый кодон) . С этого участка РНК-полимераза, проходя через структурный ген, начинает синтезировать РНК. Заканчивается кодирующая область участком, который называется терминатор (рис. 18, Б). Подходя к нему, РНК-полимераза заканчивает транскрипцию и сходит с нити ДНК. Терминирующая область у многих генов имеет различное строение. Отметим два из них.
Чаще всего в терминирующей области располагается один из бессмысленных кодонов (УАА, УАГ, УГА), не кодирующий ни одну аминокислоту. Обнаружив эту последовательность РНК-полимераза прекращает синтез РНК.
Сигналом к окончанию транскрипции могут быть определённые короткие последовательности ДНК (не бессмысленные кодоны), которые располагаются в зоне окончания синтеза РНК. К этим последовательностям прикрепляется белок, который и прекращает транскрипцию.
В последнее время обнаружили, что в зоне терминатора ДНК может формировать шпильки, которые и приводят к окончанию транскрипции.
Область, располагающаяся между сайтом инициации и терминации, транскрибируется как одна нить РНК и носит название единица транскрипции . У прокариот единица транскрипции, как правило, содержит последовательности, кодирующие не один, а несколько типов белков или РНК, т.е. содержит несколько структурных генов (рис. 18, Б). Все они имеют одну регуляторную область и контролируют синтез ферментов одного биохимического цикла (на рисунке они обозначены как Ст1, Ст2 Ст3).
Кроме перечисленных регуляторных зон обнаружено, что перед стартовым кодоном и терминатором располагаются небольшие участки ДНК, которые соответственно носят название лидерные и трейлерные области (или последовательности). Лидерная область включает или отключает транскрипцию иРНК, трейлерная принимает участие в «созревании» иРНК (рис. 18,В).
Особенностью лидерного участка является то, что он транскрибируется, т.е представлен в молекуле иРНК. Но этот участок в рибосомах не транслируется, т.е. он не представлен аминокислотной последовательностью в белке. Более тщательные исследования показали, что лидерная последовательность обладает уникальной способностью приобретать форму шпильки в том случае, когда транскрипция данного гена клетке не нужна. Например, при отсутствии субстрата, нет необходимости транскрибировать иРНК и транслировать с неё фермент, расщепляющий субстрат. Поэтому довольно часто отсутствие субстрата провоцирует образование в лидерной последовательности шпильки и синтез иРНК не начинается.
Трейлерная последовательность транскрибируется на иРНК и является сигналом для формированию поли(А) хвостика при «созревании» про-иРНК (см. далее).
Начиная с 5’ конца, по направлению к 3’ концу располагаются – активатор, промотор и оператор (рис. 18, Г). К промотору присоединяется РНК-полимераза. Активатор и оператор регулируют активность гена. Так к активатору присоединяется белок, способный облегчить присоединение фермента к промотору или, наоборот, затормозить этот процесс. На операторе также осаждается белок, который может блокировать работу РНК-полимеразы.
Ещё раз подчеркнём важную особенность функционирования оперона у прокариот:- одна регуляторная область оперона (куда входят активатор, промотор, оператор, стартовый кодон и др.), как правило, обслуживает несколько структурных гена. Причём, между последними располагаются последовательности ДНК не несущие никакой информации. Эти последовательности называют спейсерами (см. рис. 19).
РО Ст.1 Ст.2 Ст.3 Ст.4
С п е й с е р ы Терминатор
Рис. 19 Кодирующая область оперона, включает 4 структурных гена (Ст.1,Ст2, Ст3, Ст4), которые разделены спейсерами. Обслуживаются они одной регуляторной областью (на рисунке она обозначена как РО).
Несколько слов о правилах обозначения генов. В разделе 1 мы уже объяснили, на каком принципе основано обозначение концов ДНК, если последняя представлена на графике в виде линейного изображения.
На рисунке 18 изображена одна нить ДНК, которая маркирована цифрами 5’(начало отрезка) и 3’(конец отрезка). Эти обозначения общеприняты и облегчают понимание генетических процессов происходящих на гене (транскрипции и трансляции), которые имеют выраженную направленность. Однако в обозначении направленности гена имеются некоторые особенности, без знания которых определить начало и конец отрезка ДНК сложно. Из школьного курса известно, что транскрипция РНК происходит на двухнитчатой ДНК только с одной её нити.
Эта нить ДНК называется матричной (этот термин употребляется чаще всего), антисмысловой, незначащей, не кодирующей, кодогенной и т.д. Понятно, что синтезированная с этой нити РНК будет комплементарна ей. Однако полное совпадение последовательностей нуклеотидов у вновь синтезированной РНК будет не с нуклеотидами матричной цепи, а с противоположной (второй, оппозитной) нитью ДНК, которая называется смысловая , не матричная, значащая, кодирующая, не кодогенная и т.д.
Транскрипция с матричной цепочки ДНК идёт в направлении от 3’ конца к 5’. Понятно, что противоположная цепочка ДНК будет иметь направление 5’ – 3’. Это направление и принято обозначать на рисунках. Поэтому необходимо помнить, что на рисунках принято обозначать цифрами не ту цепочку ДНК, с которой синтезируется (транскрибируется) РНК, а противоположную – смысловую (см. рис. 20).
5’ А Т А Т Г Ц А Т Г Ц 3’ Смысловая нить
А ДНК
3’ Т А Т А Ц Г Т А Ц Г 5’ Антисмысло-
вая нить ДНК, с
которой синтези-
руется иРНК
Б РНК 5’ А Т А Т Г Ц А Т Г Ц 3’ РНК синтезирован-
ная с антисмысло-
вой нити ДНК
В ДНК 5’ А Т А Т Г Ц А Т Г Ц 3’Так на рисунках обо-
значается отрезок,
ДНК. Последователь-
ность нуклелтидов-
в ней аналогична по-
следоватнельности
их в иРНК и антисмы
словой цепи ДНК.
Рис. 20. Схема транскрипции и правила обозначения направленности ДНК. А – отрезок молекулы ДНК, Б – синтезированная РНК на атисмысловой нити, В – цепь ДНК на рисунке обозначена так же, как и смысловая цепь ДНК
б. Строение функционирующего гена эукариот.
В общих чертах строение гена про- и эукариот в принципе одинаково. Ген эукариот так же как и у прокариот функционирует только совместно с регуляторными зонами. Но такой тандем у эукариот не называется опероном. Ген эукариот представляет собой в основном кодирующую часть ДНК, а регуляторные зоны – не кодирующую ДНК. Также как и у прокариот, рассмотрим не только строение самого гена – кодирующей его части, но и обслуживающие его элементы – регуляторные зоны.
Ген (кодирующая часть) состоит из:
а. Экзонов.
б. Интронов.
Регуляторные участки гена содержат:
а. Стартовый кодон – сайт (место) начала транскрипции.
б. Терминатор – сайт окончания транскрипции.
в. Лидерную последовательность.
г. Трейлерную последовательность.
д. Промотор.
е. Контролирующие зоны располагаются вблизи от обслуживаемого гена.
ж. Модуляторы (энхансеры, сайленсеры) – располагаются вдали от гена.
Некоторые исследователи объединяют контролирующую зону и модуляторы в одну область – регуляторную область.
Кодирующая часть гена эукариот имеет несколько существенных отличий от аналогичной области прокариот (рис. 22). Отметим два из них.
1. Как правило, кодирующая область представлена не несколькими генами, а одним. Каждый ген у эукариот имеет свою регуляторную область .
2. Если в генах прокариот не кодирующие участки практически отсутствуют, то ген эукариот имеет мозаичное строение – в нём чередуются участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке и не несущие её. Участки, несущие информацию носят название экзоны, не несущие называются интроны . Число интронов у различных организмов различно.
Мозаичное строение чаше всего встречается в генах, кодирующих белки (с этих генов транскрибируется иРНК) и тРНК. Интересно, что сходные гены у разных организмов одного вида часто имеют одинаковое число интронов в одних и тех же позициях. Обычно длина интронов превышает длину экзонов.
Кодирующая часть гена представляет единицу транскрипции.
Что касается регуляции, то необходимо пояснить, что существуют два термина – регуляторные области (зоны, участки и т.д.) и регуляторные гены (гены-регуляторы).
Регуляторные области – э то участки ДНК на которых осаждаются белки-регуляторы. Их функция – регуляция транскрипции. Для простоты эти зоны подразделяют на два типа. Мы их отметили выше, но всё же повторим.
а. Зоны располагающиеся близко от гена, который они контролируют - контролирующие зоны.
б. Зоны располагающиеся далеко от контролируемого гена - модуляторы.
Гены-регуляторы – это обычные структурные гены, кодирующие иРНК несущую информацию о строении какого-либо белка-регулятора . Некоторые из этих генов транскрибируют специальные регуляторные РНК.
Рассмотрим строение регуляторных областей. Их несколько. На 5’- конце гена располагается сайт начала транскрипции. На 3’- конце располагается сайт окончания транскрипции (терминатор). Перед сайтом начала транскрипции, также как и у прокариот, располагается лидерная последовательность, а перед сайтом окончания транскрипции находится трейлерная последовательность. Функциональное значение этих участков аналогично таким же участкам у прокариот (см. выше). Если у прокариот транскрипцию всех генов осуществляла один фермент РНК- полимераза, то у эукариот существуют три типа РНК-полимераз, которые обеспечивают транскрипцию разных эукариотических генов (генов транскрибирующих иРНК, тРНК и рРНК). У большинства генов эукариот, как и у прокариот, эти ферменты связываются с участком,
э и э и э и э
Трейлерная последовательность
Лидерная последовательность
Сайт конца транскрипции
Сайт начала транскрипции
Рис. 21. Схема кодирующей области гена эукариот (э – экзоны, и – интроны) .
расположенным на 5’- конце ДНК перед сайтом инициации. Этот участок носит название промотор . Однако, в отличии от прокариот одна РНК-полимераза соединиться с промотором не способна. Прежде чем связаться с промотором РНК-полимераза эукариот соединяется с многочисленными белками (их около 50), которые способствуют её прикреплению к промотору. Эти белки называются факторами транскрипции , а образовавшийся комплекс РНК-полимеразы с факторами транскрипции именуется комплекс транскрипции (или транскрипционный комплекс) . Факторы транскрипции (их так же можно назвать регуляторными белками) активируют РНК-полимеразу и кодируются регуляторными генами.
Образование комплекса транскрипции и его активность в свою очередь контролируют ещё два типа белков-регуляторов. Первый тип белков осаждается на регуляторные (зоны) последовательности ДНК, которые располагаются, как правило, рядом с промотором. Эти белки ускоряют или тормозят образование транскрипционного комплекса. Регуляторные последовательности имеют различные названия. Чаще всего их объединяют термином – контролирующие зоны или цис-регуляторные элементы. К этой зоне относится лидерная последовательность , промотор и регуляторные зоны. располагающиеся рядом с промотором - рядом расположенные области (рис. 24). К контролирующим зонам присоединяются различные регуляторные белки, которые влияют на начальное связывание РНК-полимеразы с промотором. Эти белки носят специальное название – факторы транскрипции .
Второй тип регуляторных последовательностей усиливает или тормозит движение транскрипционного комплекса по гену. У эукариот эти участки часто расположены далеко от контролируемого ими гена: - впереди от 5’- конца кодирующей области, но за несколько тысяч пар нуклеотидов от кодирующего участка, в самой кодирующей области или позади неё. В некоторых случаях их выявляют на других хромосомах (рис.23 А,Б,В,Г).
Рядом располагающиеся контролирующие зоны
Лидирующая область
Промотор Кодирующая область
Модуляторы Сайт инициации
Под геномом понимается полная генетическая система клетки, которая обеспечивает передачу в ряду поколений всех ее свойств, как структурных, так и функциональных. Впервые термин геном был введен ботаником Винклером для обозначения гаплоидного набора хромосом. В дальнейшем этот термин использовали для обозначения количества ДНК в гаплоидной или диплоидной клетке. В молекулярной генетике геном и ДНК часто используют как идентичные понятия.
У многих вирусов, которые называются ретровирусами , геном представлен молекулой РНК. Часто РНК заключена в белковую оболочку – капсид . РНК-содержащие вирусы вызывают у человека различные заболевания, такие как грипп, полиомелит, гепатит, краснуху, корь и многие другие. Геном РНК-вирусов мал, и может состоять всего из трех генов, один из которых кодирует белок капсида, а другие необходимы для самовоспроизводства вируса. При проникновении вируса в клетку на первом этапе происходит синтез однонитевой кДНК по матрице РНК вируса с помощью фермента обратной транскриптазы. Часто ген этого фермента находится в геноме самого РНК-вируса. По матрице кДНК строится двунитевая ДНК и происходит ее встраивание или транспозиция в хромосомную ДНК клетки хозяина, а затем ее транскрипция и трансляция с образованием вирусных белков. Подобный механизм включения генома РНК-вируса в хромосомную ДНК называется ретропозицией .
Геномы прокариот и эукариот, хотя и имеют определенное сходство, но все же существенно различаются по своей структуре. Геномы прокариот практически целиком состоят из генов и регуляторных последовательностей. В генах прокариот нет интронов. Часто функционально родственные гены прокариот находятся под единым транскрипционным контролем, то есть транскрибируются вместе, составляя оперон .
Геномы эукариот существенно больше геномов бактерий, у дрожжей примерно в 2 раза, а у человека – на три порядка, то есть в тысячу раз. Однако прямой зависимости между количеством ДНК и эволюционной сложностью видов не наблюдается. Достаточно сказать, что геномы некоторых видов амфибий или растений в десять или даже в сто раз превосходят по размеру геном человека. В некоторых случаях близкие виды организмов могут существенно различаться по количеству ДНК. Важным обстоятельством является то, что при переходе от прокариот к эукариотам увеличение генома происходит, главным образом, за счет появления огромного количества некодирующих последовательностей. Действительно, в геноме человека кодирующие области, то есть экзоны, суммарно занимают не более 3%, а по некоторым оценкам около 1% от общей длины ДНК.
Более 50% генома человека занято последовательностями, многократно повторяющимися в молекуле ДНК. Большинство из них не входят в состав кодирующих областей генов. Некоторые повторяющиеся последовательности выполняют структурную роль. Эта роль очевидна для сателлитных повторов, составленных из относительно коротких монотонных последовательностей, сгруппированных в протяженные тандемные кластеры. Такие последовательности способствуют повышенной спирализации ДНК и могут служить своеобразными опорными точками в каркасе хромосом. Поэтому неудивительно, что большое количество сателлитных повторов локализовано в области гетерохроматина, на концах и в прицентромерных районах хромосом, где гены практически отсутствуют. Локализация большого количества сателлитных повторов в этих районах необходима для правильной организации хромосом и поддержания их как целых интегральных структур. Но на этом функции сателлитных ДНК не ограничиваются. Так, менее понятной остается роль многочисленного класса микросателлитных повторов, достаточно равномерно распределенных по всем хромосомам и составленных из 1-4 тандемно повторяющихся однотипных последовательностей нуклеотидов. Очень многие из них оказываются высоко полиморфными по числу повторяющихся элементов в кластере. Это значит, что в гомологичных местах локализации микросателлитов у разных индивидуумов может содержаться разное число повторяющихся элементов. Большая часть подобной изменчивости носит нейтральный характер, то есть не приводит к развитию каких-то патологических процессов. Однако в тех случаях, когда нестабильные микросателлитные повторы локализованы в генах, увеличение (экспансия) количества повторяющихся элементов выше допустимой нормы может существенно нарушать работу этих генов и реализоваться в виде наследственных заболеваний, получивших название болезней экспансии. Высокий уровень полиморфизма многих нейтральных микросателлитных повторов приводит к тому, что у большей части населения они находятся в гетерозиготном состоянии. Это свойство полиморфных микросателлитных последовательностей в сочетании с их повсеместным распространением делает их удобными молекулярными маркерами, доступными для анализа практически любого гена.
Другой тип уже не сгруппированных более протяженных повторяющихся элементов составляют комплементарные последовательности, ориентированные в противоположных направлениях по отношению друг к другу. Их называют инвертированными или обращенными повторами . Такие последовательности способны обеспечить приближение удаленных друг от друга участков молекулы ДНК, что может быть важно для выполнения многих ее нормальных физиологических функций.
Попутно отметим, что в геноме человека много регуляторных элементов, функции которых связаны с самовоспроизводством молекул ДНК, координированной работой многих генов, составляющих «генные сети», и рядом других процессов. Регуляторные элементы, как правило, также многократно повторяются в молекулах ДНК. Гены эукариот не организованы в опероны, и потому каждый ген имеет собственную систему регуляции. Кроме того, у высших, в том числе и у человека, имеется дополнительная по сравнению с микроорганизмами система регуляции экспрессии генов. Это связано с необходимостью обеспечения избирательной работы разных генов в дифференцированных тканях многоклеточного организма.
И, наконец, наиболее многочисленными являются диспергированные повторы , более протяженные по сравнению с сателлитными ДНК и не сгруппированные, но в виде отдельных элементов разбросанные по геному. Количество таких повторов может достигать в молекулах ДНК человека десятков, а иногда и сотен тысяч копий. Их роль еще менее понятна, но очевидно, что они выполняют скорее регуляторные, чем структурные функции.
Некоторые виды этих повторов оказываются способны выстраиваться из ДНК, существовать автономно от хромосом в виде небольших кольцевых молекул, а затем встраиваться в те же самые или другие места хромосомной ДНК, меняя тем самым свою локализацию. Такие последовательности относятся к числу мобильных элементов генома. Способность к перемещению некоторых типов мобильных элементов иногда подчеркивается в их названиях, которые в переводе с английского звучат, как «бродяга» или «цыган». На концах мобильных элементов имеются определенные структурные особенности, обеспечивающие им возможность включаться в хромосомную ДНК. Кроме того, часто в самих этих элементах имеется генетическая информация о ферментах, катализирующих процесс встраивания. Перемещение мобильных элементов способствует структурным реорганизациям генома, межвидовому (горизонтальному) переносу генетического материала и мутационной нестабильности генов. К мобильным элементам можно отнести и последовательности некоторых вирусов, которые могут встраиваться в молекулы ДНК человека и длительно присутствовать в таком скрытом литическом состоянии.
Мобильные элементы найдены у всех исследованных в этом отношении видов, при этом разные таксономические группы характеризуются специфическими классами мобильных элементов. У эукариот они составляют весьма значимый компонент генома. Около 40% генома мышей и более 45% генома человека занято подобными последовательностями. Таким образом, общая площадь, занимаемая в геноме человека мобильными элементами, значительно превосходит суммарную площадь генов. У прокариот и у низших эукариот передвижение мобильных элементов осуществляется, главным образом, за счет непосредственного встраивания или транспозиции ДНК мобильного элемента в хромосомную ДНК, то есть эти элементы относятся к классу транспозонов . В зависимости от типа мобильного элемента механизмы транспозиции могут быть различными.
Подавляющее большинство мобильных элементов млекопитающих и в том числе человека поддерживаются в геноме посредством ретропозиции РНК, то есть являются ретропозонами . Ретропозиция включает в себя обратную транскрипцию РНК с образованием кДНК и ее транспозицию в хромосомеую ДНК. Большая часть ретропозонов представлена либо длинными (LINE), либо короткими (SINE) диспергированными повторами. У человека наиболее многочисленным элементом типа SINE является Alu-повтор , представленный в геноме более чем миллионом копий. Примерно десятую часть составляют LTR-элементы , сходные с ретровирусами последовательности, имеющие длинные терминальные повторы, обеспечивающие им возможность встраивания в ДНК. Происхождение большинства умеренных диспергированных повторов, широко представленных в геноме позвоночных и человека, непосредственно связано с ретропозицией обратно-транскрибированных РНК.
В 80-е годы прошлого века в работах М. Д. Голубовского с соавторами было показано, что перемещение мобильных элементов является основной причиной возникновения спонтанных мутаций в природных популяциях дрозофилы. У человека это не так, хотя описаны мутации у пациентов с определенными наследственными заболеваниями, обусловленные внедрением в ген мобильных элементов. Так, например, у некоторых больных синдромом Апера идентифицирована инсерция Alu-повтора в 9 экзоне гена рецептора 2 фибробластных факторов роста (FGFR2 ). В некоторых случаях у больных миодистрофией Дюшенна удается проследить присутствие Alu-элемента в точке разрыва, образованного делецией в гене DMD . Напомним, что при этом заболевании протяженные внутригенные делеции обнаруживаются у более чем 60% больных. Показано, что один из концов делеций, локализованных в 43 интроне гена DMD, расположен внутри мобильного элемента, принадлежащего семейству ретротранспозонов. Однако подчеркнем еще раз, что в отличие от дрозофилы у человека перемещение мобильных элементов не является основной причиной спонтанного возникновения мутаций.
Обнаружение в геноме человека и других видов живых существ большого количества последовательностей, способных менять свою локализацию, явилось основой для развития нового направления в генетике, получившего название мобильная генетика . Существование мобильных элементов впервые было предсказано в 50-х годах прошлого века Барбарой МакКлинток, которая наблюдала в одной из генетических линий кукурузы возникновение нестабильных мутаций в области локализации точки разрыва одной из хромосом. При перемещении точки разрыва соответственно менялся спектр мутаций, которые всегда оказывались расположены вблизи от данного цитогенетического нарушения. Эти экспериментальные наблюдения позволили Барбаре МакКлинток высказать предположение о существовании особого класса генетических элементов, способных внедряться в разные локусы и влиять на темпы мутирования генов. Сначала эта гипотеза не нашла поддержки среди научной общественности, но в дальнейшем она была непосредственно подтверждена на молекулярном уровне. Большой вклад в развитие мобильной генетики внесли работы отечественных исследователей Р. Б. Хесина, Г. П. Георгиева, В. А. Гвоздева, М. Д. Голубовского.
В соответствии с классическими представлениями все элементы генома имеют постоянную локализацию. Оказалось, что это положение справедливо только в отношении так называемых структурных элементов, прежде всего, генов. Стабильное расположение генов на хромосомах позволяет строить цитогенетические карты, то есть располагать гены относительно цитологически видимых маркеров хромосом. Но наряду с такими обязательными или, как говорят, облигатными элементами генома в молекулах ДНК человека имеется большое число факультативных элементов, присутствие которых не является строго обязательным, а их отсутствие не приводит к каким-то заболеваниям. Роль таких факультативных элементов особенно важна в эволюционных процессах. Изменения числа и топографии факультативных элементов М. Д. Голубовский предложил называть вариациями в отличие от мутаций генов. Вариации происходят в геноме закономерно и с высокой частотой. Факультативные элементы первыми воспринимают происходящие в окружающей среде изменения, причем даже такие, которые не обладают мутагенным эффектом. Под влиянием возникших вариаций могут происходить направленные массовые наследственные изменения или мутации, которые проявляются в виде вспышек мутабильности. Это явление впервые описано в работах ленинградских генетиков Р. Л. Берг, выполненных на природных популяциях дрозофилы, а затем в работах Л. З. Кайданова, проведенных на инбредных линиях дрозофилы, длительно селектировавшихся по неадаптивному признаку. Таким образом, факультативные элементы представляют своеобразную оперативную память генома, и их роль особенно важна в эволюции.
Наряду с генами и повторяющимися последовательностями в геноме человека присутствует много уникальных последовательностей, не связанных с кодирующими функциями. Среди них можно выделить класс псевдогенов , таких последовательностей, которые хотя и близки по своему нуклеотидному составу к определенным генам, но отличаются от них присутствием множества мутаций, не позволяющих им транскрибироваться или транслироваться.
Характер расположения генов по хромосомам и внутри хромосом очень неравномерен. В некоторых областях генома наблюдается высокая плотность генов, в то время как в других – генов вообще не обнаруживают. Как правило, гены эукариот разделены так называемыми спейсерными промежутками, в которых наряду с повторами локализованы и уникальные последовательности, не являющиеся генами. Назначение большинства уникальных некодирующих последовательностей остается неясным. Также непонятна роль интронов – протяженных некодирующих участков генов, которые переписываются в молекулы преРНК на начальном этапе экспрессии генов, а затем вырезаются из этих молекул в процессе образования мРНК.
Наряду с существованием в геноме человека большого количества «избыточных» ДНК, имеется огромное количество примеров чрезвычайно компактной упаковки информации в областях локализации генов. Во-первых, внутри интронных областей одних генов могут располагаться другие гены, прочитывающиеся в противоположном направлении. Примером является ген гемофилии А – F8C , кодирующий фактор VIII свертывания крови. В 22-ом интроне этого гена были обнаружены 2 других гена A и B , которые прочитываются в противоположном направлении. Продукты этих генов никак не связаны с фактором VIII свертывания крови. Однако для одного из этих генов (А ) был идентифицирован гомолог, расположенный в противоположной ориентации в непосредственной близости от 5’-конца гена F8C . Наличие двух так близко расположенных протяженных комплементарных последовательностей способствует структурным перестройкам в этой области генома и, в частности, инверсиям, то есть перевороту на 180 0 области ДНК, расположенной между двумя гомологичными копиями гена А . В результате этих инверсий происходит полная инактивация гена F8C . Такие инверсии обнаруживаются у 45% больных с тяжелыми формами гемофилии А.
Во-вторых, наряду с общим регулятором работы гена – промотором, в его интронных областях могут присутствовать дополнительные промоторы, каждый из которых способен запускать синтез преРНК с разных начальных точек. Это явление называется альтернативной транскрипцией . При этом с одного и того же гена могут образовываться белки разной длины, имеющие между собой сходство по конечным участкам, но различающиеся по начальным последовательностям. Удивительным примером регуляции на уровне транскрипции является ген миодистрофии Дюшенна (DMD ). По крайней мере 8 независимых промоторов осуществляют альтернативную транскрипцию гена DMD в разных тканях и на разных стадиях эмбрионального развития. Продуктом гена DMD в сердечной и скелетных мышцах является стерждневидный белок дистрофин, участвующий в поддержании целостности мембраны мышечного волокна и в формировании нейромышечного синапса. Его экспрессия осуществляется с основного мышечного промотора, располагающегося в 5’-нетранслируемой области гена. В кортикальном отделе мозге и в клетках Пуркинье экспрессия гена DMD с образованием полноразмерных мозговых изоформ дистрофина осуществляется с двух альтернативных промоторов, расположенных в первом интроне гена. Полноразмерные изоформы дистрофина мышечного и мозгового типов имеют небольшие отличия в N-концевых областях. Начиная с середины гена, и ближе к его концу расположены 5 других промоторов, обеспечивающие экспрессию гена DMD в других тканях с образованием укороченных изоформ, так называемых аподистрофинов, не имеющих N-концевых участков дистрофина, но гомологичных его С-концевым областям.
Рассмотрим, к каким клиническим последствиям может приводить такая сложная организация работы гена? Мы уже писали о том, что основным типом мутаций при миодистрофии Дюшенна являются протяженные внутригенные делеции. В частности, были описаны пациенты с тяжелой дилатационной кардиомиопатией без проявлений скелетной мышечной слабости, у которых оказалась делетирована область локализации промотора мышечного типа гена DMD . У таких больных мышечный дистрофин полностью отсутствует. Однако в скелетных мышцах компенсаторно начинают работать промоторы мозгового типа, и образуются мозговые изоформы дистрофина, способные восполнить недостаточность мышечного дистрофина. При этом по неизвестным пока причинам подобной компенсации в сердечной мышце не происходит, и полноразмерные изоформы дистрофина в сердце больных полностью отсутствуют. Эта недостаточность и лежит в основе этиологии данной формы дилатационной кардиомиопатии. Не исключено, что делеции в гене DMD , разрушающие альтернативные промоторы, также могут приводить к другим наследственным сцепленным с полом заболеваниям, не сопровождающимся мышечной дистрофией.
И, наконец, одним из вариантов компактности упаковки информации в кодирующих областях генов является альтернативный сплайсинг . Это широко распространенное явление заключается в разном вырезании интронов из одной и той же молекулы преРНК. В результате образуются разные мРНК, отличающиеся друг от друга по набору экзонов. Этот процесс носит ярко выраженный тканеспецифический характер. То есть в разных тканях один и тот же ген может по-разному прочитываться, в результате образуются тканеспецифические изоформы белков, хотя и имеющие между собой определенную гомологию, но значительно различающиеся, как по своей структуре, так и по исполняемым функциям. В частности, высоко консервативные последовательности шести последних экзонов гена DMD альтернативно сплайсируются. В результате образуются структурно различающиеся изоформы дистрофина, осуществляющие различные функции. С учетом альтернативной транскрипции и сплайсинга количество продуктов, образующихся с одного только гена DMD достигает нескольких десятков. В настоящее время активно изучаются функции многочисленных изоформ дистрофина, обильно экспрессирующихся в различных специализированных тканях и способных взаимодействовать со множеством белков и не только мышечного или нейронального происхождения. Таким образом, в одном и том же гене может содержаться информация о структуре нескольких, а иногда даже нескольких десятков различных белков.
Не так как хромосомный геном устроен геном митохондрий. Мы уже упоминали о том, что около 5% ДНК человека находится в митохондриях - органеллах, ответственных за энергоснабжение клетки. Митохондриальная ДНК почти целиком состоит из генов и регуляторных элементов. В ней содержится гены транспортных и рибосомальной РНК, а также гены, кодирующие различные субъединицы пяти комплексов окислстельного фосфорилирования. Мутации в генах митохондриальной ДНК также приводят к наследственным заболеваниям, о которых мы будем говорить в дальнейшем. В митохондриальной ДНК нет повторяющихся и уникальных некодирующих последовательностей, так обильно представленных в хромосомной ДНК человека. Кроме того, гены митохондрий не содержат интронов. Подобным образом устроен геном бактерий. И это сходство позволяет предполагать бактериальное происхождение митохондрий. Конечно, митохондрии не существуют сейчас в виде отдельных организмов, и их ДНК полностью относится к элементам генома человека.
К подобным же элементам, играющим определенную роль в функционировании генома человека, относят чужеродные и экстрахромосомные ДНК – линейные и кольцевые плазмиды, а также ДНК вирусных и бактериальных цитосимбионтов. Конечно это факультативные элементы, и их присутствие в клетках человека не является строго обязательным.
Итак, два парадокса характерны для структуры генома эукариот: существование огромного количества «избыточных» некодирующих последовательностей ДНК, функции которых нам не всегда понятны, и чрезвычайно компактная упаковка информации в местах локализации генов. Подчеркнем еще раз, что структура генома также является видовым признаком. Различные индивидуумы, народы и расы не отличаются по набору и локализации не только генов, но и других элементов генома, таких как повторы, спейсерные промежутки, регуляторные последовательности, псевдогены. Да и множества мобильных элементов генома обладают высокой видовой специфичностью. Таким образом, наследственность в широком смысле этого слова определяется структурой генома различных видов организмов. В основе внутривидовой изменчивости лежат вариации, мутации и рекомбинации генов. Эволюционная межвидовая изменчивость сопровождается структурными изменениями, происходящими на геномном уровне. Эти положения имеют важнейшее значение, в частности, для понимания молекулярной природы наследственной патологии человека.
ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА ПРОКАРИОТ
Геном прокариот может состоять из одной или нескольких крупных молекул ДНК, называемых хромосомами, и небольших молекул ДНК – плазмид. В хромосомах представлены практически все гены, необходимые для жизнедеятельности бактерии. Плазмиды же несут гены, необязательные для бактерии, без них клетка может обойтись, хотя в некоторых условиях они способствуют ее
выживанию.
Хромосомы и плазмиды могут представлять собой как кольцевые, так и линейные двухцепочечные молекулы ДНК. Геном бактерий может состоять из одной или нескольких хромосом и плазмид. Хромосома(ы) в бактериальной клетке пред-ставлена(ы) в виде одной копии, т.е. бактерии гаплоидны. Плазмиды же могут присутствовать в клетке как в виде одной копии, так и в нескольких.
Хромосома уложена в компактную структуру – нуклеоид, который имеет овальную или сходную с ней форму. Его структура поддерживается ДНК-связывающими гистоноподобными белками и молекулами РНК. С нуклеоидом также ассоциированы молекулы РНК-полимеразы и ДНК-топоизомеразы I. По периферии нуклеоида располагаются петли хромосомной ДНК, которые находятся в транскрипции в активном состоянии. При подавлении транскрипции эти петли втягиваются внутрь. Нуклеоид не является стабильным образованием и во время различных фаз роста бактериальных клеток изменяет свою форму. Изменение его пространстве ой организации сопряжено с изменением транскрипционной активностью определенных генов бактерий.
В состав хромосомы могут входить геномы умеренных фагов. Включение их геномов в клеточный может происходить после заражения фагами бактерий. При этом одни фаговые геномы интегрируют в строго определенные участки хромосомы, другие – в участки различной локализации.
Размер геномов прокариот колеблется от нескольких сотен тысяч до десятка миллионов пар нуклетидов.
Геномы прокариот отличаются друг от друга по содержание ГЦ-пар, их доля в их составе колеблется от 23 до 72 %. Интересно, что в ДНК бактерий, обитающих при высоких температурах, содержание этих нуклеотидов повышено. Их преобладание над АТ-парами обуславливает более высокую температуру плавления ДНК, что является жизненно необходимым фактором для таких бактерий. Нужно
отметить, что в белках термофильных бактерий повышено также и содержание полярных аминокислот, что делает их более устойчивыми к денатурации при повышенных температурах. В составе белков хеликобактерий (обитающих в кислой среде) больше аминокислотных остатков аргинина и лизина. Остатки этих аминокислот способны связывать ионы водорода, тем самым, оказывая влияние на кислотность среды, и способствуя выживанию бактерий в сложных экологических условиях.
О числе генов в геноме судят по наличию в их составе открытых рамок считывания (ОРС). ОРС представляет собой полинуклеотидную последовательность, потенциально способную кодировать полипептид. О существовании ОРС на тех или иных участках ДНК судят на основании расшифрованной первичной структуры ДНК.
Основным критерием принадлежности участка полинуклеотидной цепи к ОРС служит отсутствие стоп-кодонов на достаточно протяженном участке после стартового кодона. В то же время наличие ОРС является недостаточным условием для утверждения о наличии на данном участке ДНК гена.
Гены, прокариот, как правило, имеют оперонную организацию. В одном опероне обычно представлены гены, ответственные за осуществление одного и того же метаболического процесса.
ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА ЭУКАРИОТ
Хранителем генетической информации у эукариот так же как и у прокариот, является двухцепочечная молекула ДНК. Основная часть генетической информации у них сосредоточена в клеточном ядре в составе хромосом, значительно меньшая часть представлена в составе ДНК митохондрий, хлоропластов и других пластид.
Геномная ДНК эукариот представляет собой совокупность ДНК гаплоидного набора хромосом и внехромосомной ДНК, представленные в клетке зародышевой линии. Общее содержание ДНК, приходящиеся на один гаплоидный набор, носит название величина С. Ее выражают в пг ДНК, дальтонах или в парах нуклеотидов (1 пг = 6,1 10 11 Да = 0,965 10 п.н.). Значение величины С, как правило, возрастает с увеличением организации живых ор- ганизмов. Однако, у некоторых родственных видов величины С могут значительно отличаться, в то время как морфоло-гия и физиология этих видов отличаются друг от друга несущественно.
Каково же значение негенной ДНК? Существуют несколько гипотез, объясняющих ее роль. Одной из таковой является предположение, что некодирующие последовательности генома эукариот способствуют защите генов от химических мутагенов.
Ядерная ДНК эукариот состоит из уникальных и повторяющихся последовательностей. Повторяющаяся ДНК в свою очередь может быть разделена на две фракции: умеренно повторяющаяся и часто повторяющаяся ДНК:
К часто повторяющейся принадлежит ДНК, представленная в геноме более 105 копий. К этой фракции относится сателлитная ДНК.
Содержание сателлитной ДНК составляет в геноме эукариот от 5 до 50 % от всей ДНК. Эта ДНК преимуществе о обнаруживается в центромерных и теломерных рай- онах хромосом, где она выполняет структурные функции. Сателитная ДНК состоит из тандемных повторов длиной от 1 до 20 и более п.н. Благодаря простоте организации и многочисленным копиям эта ДНК обладает способностью к быстрой ренатурации.
В геноме эукариот различают микросателлиты, минисателлиты и макросателлиты. Микросателлиты образованы многократно повторяющимися мономерными звеньями (1 – 4 п.н) и имеют размер до нескольких сотен пар нуклеотидов. Они разбросаны по геному, их длина и общее количество копий коррелирует с размером генома. Количество копий микросателлитов в геноме может достигать десятков и сотен тысяч.
Макросателлиты обладают в сравнении с микросателлитами и минисателлитами большим размером повторяющегося звена до 1000 и более пар нуклеотидов. Они обнаружены в геномах птиц, кошек и человека.
Умеренно повторяющиеся последовательности в геноме представлены до 104 копий. К ним относятся генные семейства и МГЭ.Генные семейства образуют гены, обладающие гомологичной (или идентичной) нуклеотидной последовательностью, и выполняющие одну и ту же или сходные функции. Они могут быть организованы в виде кластеров или же разбросаны по геному. Существование генов в большом числе копий обеспечивает повышенное образование продуктов их экспрессии. Семейства образуют гены гистонов, рРНК, тРНК и др. МГЭ эукариот составляют в среднем около 10 – 30 % генома. Они могут концентрироваться в определенных участках хромосомы или быть рассеянными по геному
К уникальной ДНК относятся неповторяющиеся нуклеотидные последовательности. Ее содержание у различных видов варьирует от 15 до 98 %. Доля уникальных последовательностей ДНК у низших эукариот значительно выше, чем у высших. К уникальной ДНК относятся как кодирующие, так и не кодирующие последовательности. При этом большая часть уникальной ДНК не несет функции кодирования. К некодирующей уникальной ДНК относятся интроны, к кодирующей – экзоны.
Строение м-РНК
Информационная (матричная) РНК (иРНК, мРНК; messenger RNA, mRNA): однонитевая РНК, содержащая информацию об аминокислотных последовательностях белка.
мРНК содержится в ядре и цитоплазме. Функция ее состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. На долю м-РНК приходится примерно 0,5-1% от общего содержания РНК клетки.
Зрелая мРНК эукариот наряду с основной последовательностью нуклеотидов, в которой закодирована информация о последовательности аминокислот в соответствующем белке, содержит целый ряд некодирующих последовательностей, необходимых для ее трансляции рибосомами. Часть этих последовательностей, такие как кэп-группа и 3"-концевая поли(А), не кодируются непосредственно генами, а добавляются ко- и посттранскрипционно, другие имеют генное происхождение. Эти последовательности часто содержат регуляторные сигналы, обеспечивающие определенный уровень трансляции мРНК рибосомами.
Участок мРНК, расположенный между кэп-группой и первым инициирующим кодоном основнойоткрытой рамки считывания (ОРС) , которая и несет информацию о последовательности аминокислот в белке, получил название 5"-концевой нетранслируемой области (5"UTR - 5" untranslated region), илилидерной последовательности. Сегмент мРНК, расположенный между последним терминирующим кодоном основной ОРС и началом поли(А)- последовательности, называют 3"-концевой нетранслируемой областью (трейлером) - (3"UTR) . Первое название не совсем удачно: последовательности 5"UTR, как правило, способны образовывать сложные вторичные структуры типа "стебель-петля" и содержать короткие ОРС (uORF - upstream open reading frame) , которые оказывают сильное влияние на эффективность трансляции мРНК.
Помимо этого, 5"UTR могут включать в себя регуляторные последовательности, распознаваемые транс-действующими белковыми факторами. Последовательности 5"UTR обеспечивают регулируемую трансляцию мРНК (и координированную экспрессию соответствующих генов) в онтогенезе многоклеточных организмов.
3"UTR и поли(А)-последовательность оказывают влияние на состояние рибосом после терминации синтеза полипептидных цепей. Кроме того, 3"-концевая поли(А)-последовательность участвует в инициации трансляции.
31)ПРОЦЕССИНГ РНК
Процессингу подвергаются различные виды РНК: иРНК, рРНК, тРНК и др. Наиболее ярко постранскрипционные модификации РНК выражены у эукариот. У прокариот процессинг РНК необходим при образовании зрелых молекул рРНК и тРНК.
ПРОЦЕССИНГ иРНК
В процессе созревания иРНК эукариот происходит образование на 5’-конце кэпа, удаление интронов, синтез на 3’-конце полиА-последовательности. В отличие от эукариот иРНК только в единичных случаях подвержены процессингу. Эукариоты Созревание иРНК происходит в ядре эукариотических клеток. Этот процесс начинается, как правило, уже в ходе транскрипции. К 5’-концу иРНК присоединяется кэп. На 3’-конце иРНК по окончании транскрипции образуется полиА-последовательность, сигналом для полиаденилирования служит последовательность AAUAAA, расположенная за 11 – 30 нуклеотидов до сайта полиаденилирования. иРНК эукариот также подвергаются сплайсингу. Зрелая иРНК транс-портируется из ядра в цитоплазму клетки, где она служит матрицей для синтеза белка Рис.5.18. Процессинг иРНК эукариот
Следует отметить, что некоторые иРНК экариот не имеют полиА-последовательностей, и что некоторые предшественники иРНК не содержат интронов. Естественно, что они неподвергаются сплайсингу. Процессинг иРНК прокариот иРНК прокариот, как правило, процессингу не подвергается, потому что процессы транскрипции итрансляции у них сопряжены. Еще до завершения транскрипции с иРНК, синтезируемой РНКполимеразой, взаимодействуют рибосомы, которые и начинают син-тез полипептидных цепей Некоторые полицистронные иРНК прокариот могут расщеп-ляться с образованием индивидуальных иРНК. В одних случаях такое расщепление необходимо для успешной трансляции, в других не является обязательным. В некоторых случаях 3’-конец иРНК прокариот подвергается посттранскрипционному полиаденилированию, размер поли А-последовательностей составляет 14 – 60 нуклеотидов. Некоторые пре-иРНК прокариот содержат интроны.
ПРОЦЕССИНГ тРНК
Почти все тРНК синтезируются в виде предшественников – более длинных молекул (пре-тРНК). В результате процессинга происходит удаление нуклеотидных последовательностей с флангов пре-тРНК. С 5’-конца фрагмент нуклеотидной цепи отщепляет фермент, называемой РНК-азой. РНКазой являетсярибонуклеопротеином,каталитическую функцию в котором осуществляет РНК-компонент, белок же выполняет структурную роль. В бактериальной РНКазе есть участок, комплементарный ЦЦА участку тРНК. Эукариотическая РНКаза P узнает другие элементы предшественника тРНК. С 3’-конца пре-тРНК действует экзонуклеаза, укорачивающая РНК постепенно, удаляя по одному нуклеотиду. На заключительных ста-диях созревания тРНК к 3’-концу полинуклеотидилтрансфераза присоединяет последовательность ЦЦА (рис. 5.20). Общая схема процессинга тРНК. У прокариот ЦЦA-последовательность может быть закодиро-вана в генах тРНК, тогда в созревании пре-тРНК, считанных с таких генов, полинуклеотидилтрансфераза может не участвовать. Однако в некоторых случаях ЦЦА-последовательность может быть удалена экзонуклеазой в процессе созревания тРНК, тогда для ее восстановления необходимо участие нуклеотидилтрансферазы. У эукариот ЦЦA-последовательность не кодируется в генах тРНК , она добавляется посттранскрипционно. У прокариот первичный транскрипт может содержать несколько последовательностей тРНК, их процессинг включает вырезание
индивидуальных молекул тРНК. В процессе созревания тРНК также происходит модификация азотистых оснований – в результате которой образуются минорные основания: псевдоуридин, дигидроуридин, тимидин, 7-метил-гуанозин, инозин и др. Сплайсинг пре-тРНК В процессе сплайсинга нуклеаза вырезает интрон, а лигаза обеспечивает сшивание двух фрагментов тРНК за счет образования фосфодиэфирной связи, в результате обра-зуется ковалентно замкнутая молекула тРНК (рис. 5.22). ПРОЦЕССИНГ рРНК Поцессинг необходим для созревания как прокариотических рРНК, так и эукариотических.
Ген определяют как участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК либо взаимодействующий с регуляторным белком.
Ген - это последовательность нуклеотидов, которая выполняет определенную функцию в организме, например последовательность нуклеотидов, кодирующая полипептид тРНК или обеспечивающая транскрипцию другого гена.
Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Его функции выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие от ядра, нуклеоид не имеет собственной оболочки.
Тело прокариот, как правило, состоит из одной клетки. Однако при неполном расхождении делящихся клеток возникают нитчатые, колониальные и полинуклеоидные формы (бактероиды). В прокариотических клетках отсутствуют постоянные двумембранные и одномембранные органоиды: пластиды и митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и их производные. Их функции выполняют мезосомы – складки плазматической мембраны. В цитоплазме фотоавтотрофных прокариот имеются разнообразные мембранные структуры, на которых протекают реакции фотосинтеза.
Размеры прокариотических клеток изменяются от 0,1-0,15 мкм (микоплазмы) до 30 мкм и более. Большинство бактерий имеет размеры 0,2-10 мкм. У подвижных бактерий имеются жгутики, основой которых служит белки флагеллины.
Структура гена прокариот проста. Участок, кодирующий определенный белок, представляет ряд нуклеотидов (триплетных кодонов), которые транскрибируются на мРНК и затем транслируются на рибосоме в данный белок. Более сложной является система регуляции синтеза белка у бактерий. Как показали исследования, проведенные на E.coli, структурные гены, детерминирующие утилизацию этой бактерии лактозы, довольно тесно сцеплены и образуют оперон.
Оперон – участок бактериальной хромосомы, включающий следующие участки ДНК: Р – промотор, О – оператор, Z, Y, А – структурные гены, Т – терминатор. (В состав других оперонов может входить до 10 структурных генов.)
Промотор служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК с помощью комплекса CAP-цАМФ (CAP – специфический белок; в свободной форме является неактивным активатором; цАМФ – циклоаденозинмонофосфат – циклическая форма аденозинмонофосфорной кислоты).
Оператор способен присоединять белок–репрессор (который кодируется соответствующим геном). Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать иРНК.
Структурные гены кодируют три фермента, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Молочный сахар лактоза – менее ценный продукт питания, чем глюкоза, поэтому в присутствии глюкозы сбраживание лактозы является невыгодным для бактерии процессом. Однако при отсутствии глюкозы бактерия вынуждена переходить на питание лактозой, для чего синтезирует соответствующие ферменты Z, Y, А.
Терминатор служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза иРНК, соответствующей ферментам Z, Y, А, необходимым для усвоения лактозы.
Для регуляции работы оперона необходимы еще два гена: ген, кодирующий белок–репрессор, и ген, кодирующий белок СYА. Белок СYА катализирует образование цАМФ из АТФ. Если в клетке имеется глюкоза, то белок СYА вступает с ней в реакцию и переходит в неактивную форму. Таким образом, глюкоза блокирует синтез цАМФ и делает невозможным присоединение РНК-полимеразы к промотору. Итак, глюкоза является репрессором.
Если же в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком–репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок–репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Итак, лактоза является индуктором.
Предположим, что первоначально в клетке имеется только глюкоза. Тогда белок–репрессор присоединен к оператору, а РНК-полимераза не может присоединиться к промотору. Оперон не работает, структурные гены выключены.
При появлении в клетке лактозы и при наличии глюкозы белок–репрессор отщепляется от оператора и открывает путь РНК-полимеразе. Однако РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поскольку глюкоза блокирует синтез цАМФ. Оперон по-прежнему не работает, структурные гены выключены.
Если же в клетке имеется только лактоза, то белок–репрессор связывается с лактозой, отщепляется и открывает путь РНК-полимеразе. В отсутствии глюкозы белок СYА катализирует синтез цАМФ, и РНК-полимераза присоединяется к промотору. Структурные гены включаются, РНК-полимераза синтезирует иРНК, с которой транслируются ферменты, обеспечивающие сбраживание лактозы.