Строение гена

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.

Таким образом, лактозный оперон находится под двойным контролем индуктора (лактозы) и репрессора (глюкозы).

Царство архебактерий представляет собой своеобразную и наименее изученную таксономическую группу прокариот. По своей морфологии Archeabacteria похожи на эубактерии, но на молекулярном уровне они сближены с эукариотами. Эти микроорганизмы рассматривают как прокариотические эволюционные предшественники эукариот.

Архебактерия Methanococcus jannaschii, первичная структура генома которой была определена в 1996 г., обнаружена в горячих морских глубоководных источниках. Энергию для жизнедеятельности этот микроорганизм получает при восстановлении двуокиси углерода до метана молекулярным водородом. Температура, близкая к температуре кипящей воды, является оптимальной для его роста, который может происходить при давлении более 200 атм. M. jannaschii не требует для своего роста органических соединений: все необходимое для жизни он синтезирует из неорганических веществ.

Геном M. jannaschii состоит из основной кольцевой хромосомы и двух небольших внехромосомных элементов, размеры которых составляют соответственно 1700, 58 и 16 т.п.о. Подобные размеры геномов типичны для архе- и эубактерий. GC-состав ДНК этого термофила невысок и составляет всего 31%. Геном организован компактно: обнаружено около 1700 потенциальных кодирующих участков ДНК, по одному на каждые 1000 п.о. Многие ДНК-локусы M. jannaschii не обнаруживают гомологии с известными последовательностями. Функциональное значение большого числа потенциальных кодирующих последовательностей генома этого микроорганизма остается невыясненным.M. jannaschii отличается от других прокариот и эукариот большим набором только ему свойственных генов и функций. Анализ структуры генома M. jannaschii показал, что гены, организующие системы обработки генетической информации - транскрипции, трансляции и репликации ДНК, в большей степени напоминают гены эукариот, чем бактерий. При этом гены системы трансляции оказались наиболее консервативными (обладали наибольшей гомологией) у прокариот, эукариот и архебактерий. Из них гены рРНК - универсальны, так же как и гены некоторых рибосомных белков. Специфические рибосомные белки M. jannaschii имеют гомологов у эукариот, но не у эубактерий. Большинство распознанных факторов трансляции у этой архебактерии также оказалось эукариотического типа. То же, хотя и в меньшей степени, относится к аминоацил-тРНК-синтетазам. При сравнительном анализе генов системы транскрипции оказалось, что РНК-полимеразы M. jannaschii и эубактерий обнаруживают гомологию среди субъединиц, формирующих минимальный фермент, однако архебактерия обладает малыми дополнительными субъединицами, которые не свойственны эубактериям, а их гомологи имеются у РНК-полимераз эукариот. Лишь два из основных факторов транскрипции M. jannaschii гомологичны таковым эукариот, а один или два фактора рассматриваются как "рудиментарные" формы соответствующих эукариотических факторов.

Таким образом, система транскрипции архебактерий представляется как более простая версия соответствующей эукариотической системы. В геноме M. jannaschii найден только один ген, кодирующий ДНК-полимеразу, которая напоминает эукариотическую ДНК-полимеразу эпсилон. ДНК-полимераза Pol III, осуществляющая репликацию ДНК у эубактерий, не имеет гомолога у M. jannaschii.

Высокую гомологию с белками  эукариот обнаруживают и другие белки  архебактерии: гистоны, белки, контролирующие деление клетки, протеасомы, факторы элонгации трансляции, белки систем репарации и транспорта. Для M. jannaschii, как и для эубактерий, характерна организация генов в виде оперонов. Однако в первом случае опероны встречаются редко и почти всегда объединяют гены субъединиц белковых комплексов, например, РНК-полимеразы, рибосом или метил-коэнзим М-редуктазы. В то же время довольно редки опероны, содержащие гены, объединенные по принципу контроля последовательных метаболических реакций. У M. jannaschii такие гены могут быть случайным образом распределены по геному.

 

 

 

Геном эукариот: общие сведения

В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть - в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. Так же, как и у прокариот, информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. ДНК-белковые комплексы эукариот получили название хроматина . На протяжении клеточного цикла хроматин претерпевает высокоупорядоченные структурные преобразования в виде последовательных конденсаций-деконденсаций. В соматических клетках при максимальной конденсации в метафазе митоза эти преобразования сопровождаются формированием метафазных хромосом . Морфология и число метафазных хромосом являются уникальными характеристиками вида.

Совокупность  внешних признаков хромосомного набора эукариот получила название кариотипа . Эти признаки используются в систематике.

Содержание  ДНК у эукариот в расчете на одну клетку в среднем на два-три порядка выше, чем у прокариот, и у разных видов животных изменяется от 168 пг (амфибии) до 1 пг (некоторые виды рыб). У человека имеется около 6 пг ДНК на диплоидный геном, суммарная длина которой приближается к 6*109 п.о. ( табл. I.1 ). Повышенное содержание ДНК в геноме эукариот нельзя объяснить одним лишь увеличением потребности этих организмов в дополнительной генетической информации в связи с усложнением организации, поскольку большая часть их геномной ДНК, как правило, представлена некодирующими последовательностями нуклеотидов. Размер генома организмов, находящихся на более низких ступенях эволюционного развития, зачастую превышает размеры геномов более высокоорганизованных животных и растений. Известно, что большая часть ДНК генома эукариот не кодирует РНК и белки, и ее генетические функции не вполне понятны.

   Геном эукариот: последовательности нуклеотидов

Геном эукариот составляют уникальные и повторяющиеся  последовательности нуклеотидов. Содержание уникальных последовательностей в  геноме, определенное на основании  кинетики реассоциации фрагментированной ДНК, варьирует у разных организмов, и их доля составляет 15-98% от всей ДНК. Несмотря на то, что во фракцию уникальных последовательностей попадают многие структурные гены, большая часть уникальных последовательностей является некодирующей и обычно не заключает в себе генетической информации в общепринятом значении этого термина: не кодирует функционально значимые полипептидные цепи или РНК. Примером таких уникальных последовательностей являются интроны, общий размер которых, как правило, на порядок и более превышает суммарный размер экзонов содержащих их генов.

Эволюционное  возникновение мозаичной (интрон-экзонной) структуры генов эукариот, так же как и консервативный характер наследования размеров и взаимного расположения интронов в генах, не находит исчерпывающего объяснения из-за кажущегося отсутствия фактора давления естественного отбора на последовательности нуклеотидов без четких биологических функций. Наибольшее распространение получила концепция В. Гилберта (1977 г.), согласно которой появление интронов, по-видимому, совпавшее по времени с эволюционным возникновением многоклеточных организмов, обеспечило возможность обмена экзонами между неродственными генами (exon shuffling). Такой обмен должен сопровождаться образованием новых белков мозаичного строения, составленных из готовых полипептидных функционально значимых модулей (доменов), ранее принадлежавших другим белкам. Следствием этого было ускорение образования белков и ферментов с новыми функциями, а также эволюционные преобразования организмов, реализующих такие молекулярные механизмы. Эта точка зрения получила название " гипотезы позднего возникновения интронов" (intron late) . В соответствии с гипотезой Дж.Е. Дарнелла и В.Ф. Дулиттла (1978 г.), современные интроны представляют собой "эволюционные реликты", бывшие когда-то частью гигантских генов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экспрессия генов (gene expression): процесс, посредством которого закодированная в генах информация превращается в структуры, присутствующие или действующие в клетке . К экспрессируемым генам относятся гены, с которых транскрибируется мРНК , далее транслируемая в белок , а также гены, с которых транскрибируется РНК, но не транслируется белок. Картина экспрессии генов с качественной (какие гены экспрессируются) и количественной (в каком количестве образуется продукт того или иного гена) сторон определяет характерные особенности клетки и ее роль в организме. Изменения паттерна генной экспрессии запускают клеточную дифференцировку . Аномальный паттерн генной экспрессии ассоциируется с патологическими состояниями, например, с развитием опухолей

Регуляция активности генов   

У эукариотов размер генома в сотни, а  у млекопитающих в тысячу раз  больше, чем у прокариотов, поэтому  регулировать такую систему довольно сложно. У большинства эукариотов регуляция активности генов осуществляется на стадии транскрипции. Для них  характерны долгоживущие матрицы иРНК.

 

Хотя  у эукариотов после введения субстрата  синтез определенных ферментов усиливается, однако это усиление не столь велико, как у микроорганизмов, потому что  осуществляется на фоне уже работающего  гена.

 

Если  у микроорганизмов идет координированная регуляция синтеза ферментов (оперонная система регуляции), то у животных гены, которые бы имели единую регуляторную зону, не установлены. Каждый их ген регулируется отдельно, и наблюдается последовательность в синтезе ферментов, так называемая «каскадная» регуляция. Под влиянием эффекторов многие гены могут регулироваться одновременно и включать целые группы дифференцировки. В качестве эффекторов могут использоваться низкомолекулярные вещества и белки. Гормоны, например, действуют лишь на отдельные клетки — клетки-мишени, которые, очевидно, содержат рецепторы, способные присоединять гормоны, образуя с ними комплексы.

 

При включении определенной генетической системы происходит дифференцировка  клеток, после чего действие эффектора  может быть устранено, но клетка продолжает работать. Это так называемое эпигенетическое  наследование — один из важнейших  факторов развития и дифференцировки  организмов, система самоподдержания включенных программ.

 

Сравнение матричной активности хроматина  с активностью очищенной ДНК  показало более высокую активность последней в 10 раз. Исследованиями установлено, что основные белки хроматина (в  частности, гистоны) ограничивают транскрипцию, блокируя гены. В отличие от многих эффекторов гистоны нельзя рассматривать  как специфические регуляторы генной активности, так как они сходны в разных тканях и организмах. Очевидно, они необходимы для структурирования молекул. Специфичность же хроматина  определяют кислые белки. Хроматин эукариотов в зависимости от его функционального  состояния может существовать либо в гетерохроматиновой, либо в эухроматиновой форме (взаимообратимые физические состояния хроматина).

 

Гетерохроматин остается компактным и, следовательно, неактивным на протяжении интерфазы клеточного цикла. Поэтому молекулярные механизмы, лежащие в основе гетерохроматинизации, контролируют степень конденсации или спирализации хромосом, делая нити ДНК недоступными для транскрипции РНК. При активизации участков хроматина со многими повторами синтезируется гигантский предшественник (про-иРНК), включающий в функциональном отношении информативную (структурные гены) и неинформативную (акцепторную) зоны. Происходит распад псевдо-иРНК, а иРНК (с небольшими избытками на концах цепи) служит матрицей для синтеза специфических белков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Генные (точковые) мутации - это изменения числа и/или последовательности нуклеотидов в структуре ДНК (вставки, выпадения, перемещения, замещения нуклеотидов) в пределах отдельных генов, приводящие к изменению количества или качества соответствующих белковых продуктов.

  Замены оснований приводят к появлению трех типов мутантных кодонов: с измененным смыслом (миссенс-мутации), с неизмененным смыслом (нейтральные мутации) и бессмысленных, или терминирующих кодонов (нонсенс-мутации).

  В результате миссенс-мутании в кодируемом данным геном полипептиде одна аминокислота замещается на другую, поэтому фенотипическое проявление мутации зависит от функциональной значимости затронутого домена. Так замены аминокислот в активных центрах белков могут сопровождаться полной потерей их функциональной активности. К примеру, миссенс-мутация в 553-м кодоне гена FAC, приводящая к замене лейцина на пролин, делает продукт этого гена неспособным комплементировать функциональный дефект в клетках больных анемией Фанкони.

  Не всякая замена аминокислоты отразится на функциональной активности белка, вследствие чего происшедшая мутация может остаться не вьшвленной. Этим объясняется факт отмечаемого несовпадения частоты мутаций в определенном гене и встречаемости мутантов по нему. Кроме того, в силу вырожденности генетического кода, не всякая замена основания приведет к миссенс-мутации, возможно, она окажется нейтральной.

  В результате нонсенс мутации кодон, определяющий какую-либо аминокислоту, превращается в один из стоп-кодонов, не транслирующихся на рибосомах (UAA UAG, UGA). Появление такого кодона не в конце структурного гена, а внутри него, приводит к преждевременной терминации трансляции и обрыву полипептидной цепи. Нонсенс-мутации обладают наибольшим повреждающим действием, так как образующиеся при преждевременной терминации трансляции белки не способны к модификации, часто не защищены от действия протеолитических ферментов и быстро деградируют.

  Вставки, перемещения или выпадения отдельных оснований или их коротких последовательностей в пределах гена вызывают сдвиг рамки считывания. Природа таких мутаций была изучена при анализе аминокислотной последовательности белков фага Т4, кодируемьгх геном дикого типа е+ и тремя разными мутантными генами е, содержащими взаимно супрессирующие фреймшифт (сдвигающие рамку считывания)-мутации. Оказалось, что некоторые единичные мутации являются следствием одновременных изменений нескольких соседних нуклеотидов. И, скорее всего, единичная мутация со сдвигом рамки возникает в результате вставки двух соседних нуклеотидов, а не одного. При возникновении мутаций со сдвигом рамки считывания меняются все триплеты ниже сайта дупликации или делеиии по ходу считывания, при этом повышается вероятность возникновения стоп-кодонов и, соответственно, терминации трансляции.