Современное представление о структуре гена про- и эукариот

Ген — единица генетической информации, закодированная в определенной последовательности нуклеотидов ДНК.

Генотип — совокупность гаплоидного набора всех генов данной клетки или организма.

Впервые понятие гена — как структурной единицы наследственности, было введено В.-Л. Иогансеном в 1909 г., развито в хромосомной теории наследственности выдающимся американским генетиком, лауреатом Нобелевской премии, Т-Х. Морганом в 1920-е гг. В 1961 г. французские ученые Ф. Жакоб, Ж. Моно и А. Львов изучили организацию генома и структуру гена прокариот (кишечной палочки Е. coli). В 1965 г. они были удостоены за эти исследования Нобелевской премии.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что:

  • • ген дискретен и делим;
  • • ген имеет очень сложную структуру;
  • • информация записана в гене посредством универсального генетического кода;
  • • в геноме имеются разные типы (группы) генов;
  • • наименьшей мутирующей единицей гена является пара нуклеотидов — так называемые однонуклеотидные замены (SIVP, single nucleotide polymorphisms).

Классификация генов:

  • • I группа — гены, кодирующие белки, участвующие в процессах метаболизма клетки;
  • • II группа — гены, кодирующие синтез рРНК, тРНК и других виды РНК;
  • • III группа — гены, кодирующие синтез специальных регуляторных белков, участвующих в процессах репликации ДНК, транскрипции и трансляции.

Структура гена. Современные исследования, проведенные как на клетках прокариот, так и на клетках эукариот показали, что гены состоят из двух основных частей: регуляторной и кодирующей.

Рассмотрим вначале более простое строение и регуляцию работы гена прокариот на примере (ас-гена бактерии Е. coli (кишечная палочка). Он кодирует синтез ферментов, необходимых для метаболизма сахара лактозы (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Структура и регуляция работы гена (на примере /ас-гена прокариот):

  • 1 — регуляторный 1ас-ген; 2 — нетраскрибируемый участок ДНК между регуляторным геном и промотором; 3 — промотор; 4 — ген-оператор;
  • 5—7 — структурные гены, кодирующие белки — ферменты: галактозидазу (5), галактозидпермеазу (6), галактозидтрансацетилазу (7) и соответствующие белки-ферменты; 8 — иРНК; 9 — 1ас-репрессор (активный); 10 —лактоза;
  • 11 —лактоза + репрессор (неактивгный); 12 — РНК-полимераза (начало

транскрипции)

Регуляторная часть lac-гена состоит из небольшого участка ДНК — промотора, гена оператора, расположенного перед началом кодирующей части гена, и гена-регулятора. С геном-регулятором связывается синтез специальных регуляторных белков (активаторы и репрессоры), которые контролируют транскрипцию.

Промотор — это небольшой участок ДНК, расположенный перед структурной частью гена и предназначенный для связывания РНК- полимеразы и белков-регуляторов перед началом синтеза РНК.

Кодирующая часть /ас-гена состоит из нескольких структурных генов ферментов (lacZ, lacY, lacA), не имеющих интронов и не разделенных спейсерными участками ДНК. Комплекс нескольких структурных генов, контролируемых одним оператором и промотором, получил наименование — оперон. У прокариот примерно треть генов имеет опе- ронную структуру.

Регуляция работы гена заключается в блокировании участка оператора специальным белком — репрессором, который синтезируется геном регулятором. Этот белок связывается с оператором и РНК- полимераза не может связаться с промотором, поэтому транскрипция не идет. Происходит репрессия (подавление) активности гена.

При наличии в клетке лактозы возникает необходимость синтеза ферментов для ее метаболизма и включается механизм экспрессии (активации) гена. Лактоза связывается с белком-репрессором и он не может блокировать оператор. В этом случае к промотору присоединяется РНК-полимераза и начинается транскрипция структурных генов. Синтезируются соответствующие иРНК, на которых начинается трансляция — синтез белков-ферментов.

Строение гена эукариот и их регуляция отличается от таковой у прокариот и является более сложной.

Кодирующая часть гена имеет мозаичную структуру и состоит из функционально разных участков — экзонов и интронов (рис. 5.8).

Организация типичного гена эукариот и его регуляторные

Рис. 5.8. Организация типичного гена эукариот и его регуляторные

элементы:

  • 1 — регуляторные белки; 2 — главные факторы транскрипции;
  • 3 — РНК — полимераза II; 4 — интроны; 5 — экзоны; 6 — энхансеры (регуляторные участки гена); 7 — ТАТА-блок — инициирующая часть промотора; 8 — промотор; 9 — спейсерные участки; —»— начало процесса транскрипции

Экзоны — участки, которые содержат информацию о структуре белка, в других участках — нитронах — информация о белке не закодирована. Объем, занимаемый интронными участками гена, значительно превышает экзонные. Каждый ген или группа генов отделены друг от друга специальными участками ДНК, которые называют спей- серами. Каждый структурный ген имеет свой промотор (в отличие от гена прокариот, где один промотор «обслуживает» несколько генов).

У высших эукариот в состав промотора входят многократно повторяющиеся последовательности нуклеотидов: ТАТА, ЦААТ, ГЦ.

РНК-полимераза эукариот (даже при наличии промотора) не может самостоятельно начинать процесс транскрипции, для этого необходим комплекс специальных белков — факторов транскрипции. Их обнаружено более 50; у прокариот РНК-полимераза сама начинает транскрипцию.

Регуляторные участки гена эукариот, с которыми связываются факторы транскрипции, располагаются за сотни пар нуклеотидов от промотора активируемого гена. У эукариот обнаружены специальные участки, расположенные даже за тысячи пар нуклеотидов от промотора, но способные при связывании со специальными регуляторными белками активировать или подавлять процесс транскрипции. Открытые в 1976 г., эти участки получили название энхансеры (от англ. enchan.ce — усиливать). Энхансеры способны связываться с РНК- полимеразой и факторами транскрипции, что приводит к изменению конформации ДНК и началу процесса транскрипции.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >