Строение гена

Строение гена

 

• структурные  гены

 

• регуляторные гены

 

• гены синтеза  тРНК и рРНК

 

• мобильные  генетические элементы

 

Ген является элементарной структурно-функциональной единицей наследственности, определяющий развитие определенной признаки клетки или организма. Результате передачи генов в ряду поколений обеспечивается преемственность признаков родителей.

 

Г. Мендель  был первым, кто в 1865 г. Утверждал  о единице наследственности, он назвал ее "наследственным фактором "Слово" ген "было введено В. Иоганн - Сеном  в 1909 г. для обозначения единицы  наследственности, занимающий особое место (локус) в хромосоме. В 1948 Дж. Бидл и-Е. Тейтем предложили гипотезу "Один ген - один белок" и рассматривали ген как единицу наследственного материала, содержащего информацию для образования одного белка. Согласно современной концепции, гены - это участки ДНК, имеют уникальную последовательность нуклеотидов, кодирующих определенные иРНК, тРНК или рРНК. С помощью трех разновидностей РНК происходит синтез белков, которые осуществляют метаболизм и обусловливают развитие признаков. Ген - это минимальное количество наследственного материала необходим для синтеза определенной РНК. Минимальные размером гены состоят из нескольких десятков нуклеотидов, например, гены тРНК. Гены больших макромолекул рРНК и иРНК содержат несколько сот и даже тысяч нуклеотидов. Наличие генов оказывается присутствии определенных белков клетки или признаков организма. Большая часть генов клеток находится в репрессированному (Неактивном) состоянии. Примерно 5-10% генов дерепресованные (активные) и могут быть транскрибировано. Количество и качество функционирующих генов зависит от тканевой принадлежности клеток, периода их жизненного цикла и стадии индивидуального развития. Организация генов эукариотпив в хромосомах. Каждая интерфазных хромосома имеет одну молекулу ДНК, содержащей большое количество генов.

 

Геном человека содержит 3,5 х 109 нуклеотидных пар, которых  достаточно для образования 1,5 млн. генов. Однако исследования показывают, что организм человека имеет примерно 35000-40000 генов. Это означает, что в  организме используется только около 1% нуклеотидных последовательностей  ДНК, только 1% записанной информации. Значительная часть генома используется для осуществления  процессов эмбрионального развития, дифференцировки, роста и в дальнейшем не экспрессируется. Другая часть избыточной ДНК входит в состав интронов. И еще большая часть ДНК представлена ??многочисленными повторами последовательностей, не имеющих содержания (сателлитная ДНК). Таким образом, ДНК эукариот можно разделить на два типа последовательностей нуклеотидов. Это неповторимы (уникальные) и повторяющиеся последовательности. К первому типу относятся гены, кодирующие белки. Повторяющиеся последовательности встречаются с частотой от 2 до 107 на одну клетку. У млекопитающих более половины геномной ДНК принадлежит к типу уникальных последовательностей. Гены в ДНК расположены в линейном порядке. Каждый ген имеет свое местоположение (локус). Теломерные и Центромерна участки хромосом не содержат генов. Аналогичное расположение аллелей характерно для гомологической хромосомы. По способам организации нуклеотидов в ДНК, ее можно разделить на следующие фрагменты:

 

1) структурные  гены,

 

2) регуляторные  гены,

 

3) сателлитная ДНК,

 

4) Спейсерная ДНК,

 

5) кластеры  генов;

 

6) повторяющиеся  гены.

 

В зависимости  от структуры и функций нуклео- тидни последовательности могут быть нескольких типов. Структурные гены несут информацию о структуре определенных полипептидов. Из этих участков ДНК транскрибируется ИРНК, которая направляет синтез белков. Регуляторные гены контролируют и регулируют процесс биосинтеза белка. Сателлитная ДНК содержит большое количество повторяющихся групп нуклеотидов, не имеют смысла и не транскрибируются. Единичные гены среди сателлитной ДНК, конечно, имеют регуляторную или усиливающее воздействие на структурные гены. Кластеры генов - это группы различных структурных генов в определенной участке хромосомы, объединенные общими функциями. Например, кластеры пяти различных гистонов повторяются 10-20 раз. Между такими кластерами находятся большие спейсерные участки, не транскрибируются. их роль до конца не выяснена. Повторяющиеся гены - один и тот же ген многократно повторяется (несколько сотен раз), не отделяясь друг от друга, они создают тандемы. Например, гены рРНК.

 

Молекулярная  организация генов эукариот. Установление структуры генов эукариот является одним из главных открытий конца XX в. Доказано, что структурный ген, кодирующий белок, имеет очень сложное  строение гена. Рассмотрим принцип  его организации на примере гена (С-цепи гемоглобина). В начале гена расположены участки регуляции гена. Сначала расположен участок промотора, ответственная за присоединение РНК-полимеразы и последующей инициации транскрипции. Неспецифические участка регуляции называют TATA-БОКС, состоящая из многократно повторяющегося тимина и аденина.

 

Установлено, РНК-полимераза присоединяется к этой последовательности так, что ее активный центр располагается над первый нуклеотид, который считывается. Этот участок состоит из сайта-распознавания, сайта-связывающей и сайта-инициации. Комбинация нуклеотидов в промоторе специфическая и при нарушении рамки считывания образует "стоп"-кодона, что приводит к прекращению транскрипции. В области промотора расположен оператор, который может присоединять факторы регуляции транскрипции. Далее расположена CTR последовательность ТТГЦТТАЦ, на которой инициируется транскрипция и образуется 5'-начальный участок РНК (Сайт-инициации транскрипции). Впоследствии расположен кодон ТАЦ (сайт-инициации) появляется в образованной иРНК. Между сайтом транскрипции и сайтом трансляции лежит промежуточная участок ДНК, состоящий с 50 пар оснований и называется лидерного последовательностью. Далее появляется часть структурного гена, состоящего из экзонов и интронов. Сначала расположен экзон, содержащий 90 пар оснований, кодирующих с первой по 30 аминокислоты Р-цепи гемоглобина. Далее находится интрон, состоящая из 130 пар оснований, он не кодирует аминокислоты.

 

За ним  находится экзон, состоящий из 222 пар основ, кодирующих аминокислоты с 31 по 104. Далее расположен интрон, состоящий из 850 пар основания, за ним экзон, содержащий 126 пар оснований, которые кодирующих аминокислоты 105-146. После этого - ко- дон-терминации трансляции ТАА. Затем трейлер и сайт полиаденилування ААТААА, который необходим для присоединение к РНК-транскрипта "хвоста" поли-А, состоящий примерно из 200-300 аденилових остатков. Этот участок ДНК необходима для прекращения транскрипции. Последовательность терминатора транскрипции начинается сразу за поли-А участком и состоит примерно из 1000 нуклеотидов. Эта последовательность вместе с поли-А останавливает процесс транскрипции.

Организация генома прокариот

Прокариоты. Геном прокариот. Лактозный оперон

 

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. Иногда их называют бактериальными хроматофорами.

Специфическим веществом клеточной стенки прокариот  является муреин, однако у некоторых прокариот муреин отсутствует. Поверх клеточной стенки часто имеется слизистая капсула. Пространство между мембраной и клеточной стенкой служит резервуаром протонов при фотосинтезе и аэробном дыхании.

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.

 

Организация генома прокариот (на примере кишечной палочки)

Основу генетического  аппарата кишечной палочки составляет бактериальная хромосома, входящая в состав нуклеоида – ядерноподобной структуры. Нуклеоид по морфологии напоминает соцветие цветной капусты и занимает примерно 30% объема цитоплазмы. Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая свернута во вторичную спираль. Длина бактериальной хромосомы составляет примерно 4,7 млн. нуклеотидных пар (п.н.), или ~ 1,6 мм. Вторичная структура хромосомы поддерживается с помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме (складке плазмалеммы) является точкой начала репликации ДНК (эта точка носит название OriC). Бактериальная хромосома удваивается перед делением клетки, и сестринские копии распределяются по дочерним клеткам с помощью мезосомы. Репликация ДНК идет в две стороны от точки OriC и завершается в точке TerC. Молекулы ДНК, способные себя воспроизводить путем репликации, называются репликоны.

Одна бактериальная  хромосома содержит до 1000 известных  генов. Обычно это гены «домашнего хозяйства», то есть необходимые для поддержания  жизнедеятельности клетки.

Все множество  известных генов делится на 10 групп, контролирующих следующие процессы (в скобках указано количество изученных генов):

1. Транспорт  различных соединений и ионов  в клетку (92).

2. Реакции,  поставляющие энергию, включая  катаболизм различных природных  соединений (138).

3. Реакции  синтеза аминокислот, нуклеотидов,  витаминов, компонентов цепей  переноса электронов, жирных кислот, фосфолипидов и некоторых других  соединений (221).

4. Генерация  АТФ при переносе электронов (15).

5. Катаболизм  макромолекул (22).

6. Аппарат  белкового синтеза (164).

7. Синтез  нуклеиновых кислот, включая гены, контролирующие реком­бинацию и репарацию (49).

8. Синтез  клеточной оболочки (42).

9. Хемотаксис  и подвижность (39).

10. Прочие  гены, в том числе с неизвестной  функцией (110).

В лаг–фазе в клетке имеется одна бактериальная хромосома, но в фазе экспоненциального роста ДНК реплицируется быстрее, чем происходит деление клетки; тогда число бактериальных хромосом на клетку увеличивается до 2...4...8. Такое состояние генетического аппарата называется полигаплоидностью.

При делении  клетки сестринские копии бактериальной  хромосомы распределяются по дочерним клеткам с помощью мезосомы.

Кроме бактериальной  хромосомы в состав генетического  аппарата прокариот входит множество  мелких репликонов – плазмид – кольцевых молекул ДНК длиной в тысячи п.н. Плазмиды такого размера содержат несколько десятков генов. Обычно это «гены роскоши», обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, тяжелым металлам, кодирующие специфические токсины, а также гены конъюгации и обмена генетическим материалом с другими особями. Известны также мелкие плазмиды длиной 2...3 тпн, кодирующие не более 2 белков. У многих бактерий открыты мегаплазмиды длиной порядка миллиона пн, то есть немногим меньше бактериальной хромосомы. Плазмиды могут быть прикреплены к мезосомам, могут находиться в автономном состоянии и в интегрированном состоянии. В последнем случае плазмида включается в состав бактериальной хромосомы в определенных точках attB. Таким образом, одна и та же плазмида может включаться в состав хромосомы и может вырезаться из нее. Существуют плазмиды, представленные одной копией – они реплицируются синхронно с ДНК бактериальной хромосомы. Другие плазмиды могут быть представлены многими копиями, и их репликация происходит независимо от репликации бактериальной хромосомы. Репликация свободных плазмид часто протекает по принципу «катящегося кольца» – с одной кольцевой матрицы ДНК считывается «бесконечная» копия.

Репликация  плазмид может быть синхронизирована с репликацией бактериальной хромосомы, но может быть и независимой. Соответственно, распределение плазмид по дочерним клеткам может быть точным или статистическим.

 

Молекулярно-генетические системы управления

(на примере  лактозного оперона кишечной палочки)

Все гены организма  можно разделить на две большие  группы: конститутивные и индуцибельные.

Конститутивные  гены постоянно включены: они функционируют  на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К конститутивным относятся гены, кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, белки-гистоны, белки рибосом и т.д. Иначе говоря, это «гены домашнего хозяйства», или существенные гены без которых клетки не могут существовать.

Индуцибельные гены функционируют в разных тканях на определенных этапах онтогенеза, они могут включаться и выключаться, их активность может регулироваться по принципу «больше или меньше». Это тканеспецифичные гены, или «гены роскоши», которые часто являются несущественными. Включение индуцибельных генов называется индукцией, а выключение – репрессией. Регуляцию активности генов производят молекулярно-генетические системы управления.

Переключение  генов лучше всего изучено  у бактерий – одноклеточных организмов. Рассмотрим механизмы регуляции  активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки.

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.