Гены и их структура

Изучение наследственности уже давно было связано с пред­ставлением о ее корпускулярной природе. В 1866 г. Мендель высказал мнение, что признаки организмов определяются на­следуемыми единицами, которые он назвал «элементами». Позднее их стали называть «факторами». В 1909 г. Иогансен применил термин — ген, для обозначения факторов наслед­ственности. Было показано, что гены находятся в хромосо­мах, с которыми они и передаются от одного поколения дру­гому. Под термином «ген» понимали участок молекулы ДНК, образующий один фермент, затем это положение было уточ­нено и тезис принял определение: «один ген — одна полипеп­тидная цепь». Поскольку было известно, Что от генов зависят структурные, биохимические и физиологические признаки организмов, предложено определять ген как наименьший уча­сток хромосомы, обусловливающий синтез определенного продукта. Это определение получило признание в результате исследований Дж. Бидла и Эд. Татума.

В настоящее время используют несколько возможных оп­ределений:

1) В генетике: ген — это определенный участок хромосо­мы, отвечающий за какой-либо признак.

2) В молекулярной биологии: ген — это функционально свя­занный с регуляторными последовательностями участок ДНК, соответствующий определенной единице транс­крипции.

3) В международной программе «Геном человека»: ген —это единица транскрипции, которая может быть транс­лирована в одну или несколько полйпептидных цепей.
Согласно современным представлениям ген — это учас­ток молекулы геномной ДНК, характеризуемый специфи­ческой для него последовательностью нуклеотидов — набо­ра нуклеотидов, представляющий собой единицу функции, отличной от функций других генов, и способный изменять­ся путем мутирования.

Это наиболее точная его характеристика, позволяющая идентифицировать данный ген, в каком бы месте он ни находился. Изменение молекулярной структуры ДНК генов, т.е. изменение нуклеиновой кислоты, из которой они состоят, ведет к появлению новых форм генетической информации, новых молекулярных структур в материальной структуре наследственности. Такие изменения, как мутации могут происходить в любых точках в пределах гена. Но в функци­ональном отношении ген представляет собой целостную еди­ницу: всякое изменение нуклеотидов в гене или потеря его части либо полностью его инактивирует, либо изменяет его генетическую функцию.

Экзонинтронная организация гена. Гены человека пред­ставляют собой чередование смысловых участков, кодирую­щих полипептидную цепь, которые называются эк зонами и некодирующих — интронов и фланкирующие последователь­ности, расположенные до (с 5'-конца) и после (с 3'-конца) кодирующей части (рис. 4.14).

Интроны

Фланкирующие_______________ ^.^^ I *""—-—^ Фланкирующие

последователь--------------------------- последователь­
ности "^ —' ности

5' Экзоны 3'

Рис. 4.14. Организация гена

Кодирующая часть большинства генов находится в пре­делах 1—3 тыс. пар оснований, что соответствует белковому продукту из 300—1000 аминокислотных остатков. У боль­шинства генов кодирующая часть поделена на несколько экзонов, между которыми расположены некодирующие уча­стки (интроны).

Межгенные участки ДНК называются спейсерами. Спейсеры состоят из повторяющихся последовательностей ДНК различных типов и уникальных нетранскрибируемых пос­ледовательностей, не являющихся генами. Их функция не­известна. Первоначально образовавшаяся путем транскрип­ции РНК содержит копии экзонов и интронов. Затем из этой РНК удаляются участки интронов, происходит сплай­синг — вырезание. Экзоны связываются между собой, и возникает вторичный транскрипционный продукт — мат­ричная РНК (мРНК), которая направляется в цитоплазмудля соединения с рибосомами. Размеры мРНК иногда в несколько десятков раз меньше образовавшейся путем транскрипции первичной РНК.

Процесс реализации наследственной информации, содер­жащейся в гене, строго регулируется. Так, первый экзон гена включает последовательности, определяющие начало транс­крипции. Обычно это нуклеотид А, окруженный пиримиди-новыми основаниями. Кроме того, в частях ДНК между эк-зонами и нитронами находятся определенные последователь­ности нуклеотидов, которые регулируют точность удаления интронов на этапе процессинга. Многие гены имеют в конце специальную пол и-А последовательность — ААТААА.

Молекула ДНК может содержать множество генов. По современным оценкам, у человека имеется около 30—40 тыс. генов, каждый из которых выполняет специфическую фун­кцию — кодирует определенный полипептид или молекулу РНК. Принято считать, что средний размер генов составляет около 30 000 пар оснований. Но величина конкретного гена может сильно отличаться от этого среднего показателя. Са­мый маленький из известных генов у человека содержит всего 21 пару оснований, а самый большой — 2 200 000 пар осно­ваний. Гены отделены друг от друга фрагментами ДНК, со­держащими нетранскрибируемые повторяющиеся последо­вательности нуклеотидов.

Известно, что один и тот же участок ДНК может коди­ровать несколько разных белков. При этом образуются раз­ные мРНК путем альтернативного сплайсинга, т.е. из одно­го и того же первичного РНК-транскрипта «вырезаются» раз­ные участки — интроны. В результате разные мРНК, опре­деляемые одним участком ДНК, контролируют синтез раз­ных полипептидных цепей. В последние годы обнаружены гены, входящие в структуру интронов других генов (ген в гене).

Кроме того, ген как функциональная единица имеет раз­ные области, которые регулируют его работу. Эти фрагмен­ты ДНК могут располагаться непосредственно перед геном, составлять его часть или даже располагаться далеко от транс­крибируемой области (рис. 4.15).

1 31 32 99100141

«-ген |М Щ Ш'\

1 30 31 104 105 146

| II I—(Щ |

Рис. 4.15. Структура генов а- и (3-глобина человека

Закрашенные участки — районы генов, кодирующие структуру полипептидов (экзоны), которые разделены нит­ронами (незакрашенные участки). Цифры над генами ука­зывают аминокислотные остатки кодируемого полипептида (после сплайсинга). Заштрихованы участки, которые транс­крибируются в мРНК, но не транслируются в белок (их приня­то рассматривать как нетранслируемые части первого и по­следнего экзонов).

В настоящее время продолжается изучение генов у чело­века, общее количество которых предположительно равно 32 000. Уже исследованы гены практически всех частых на­следственных заболеваний и около 200 разных патологичес­ких состояний.

Выделяют три основных группы генов:

1. РНК-кодирующие гены, которые кодируют образование тРНК и рРНК, процессы сплайсинга и регуляторные РНК, влияющие на функции других генов.

2. Геномные гены, которые кодируют белки. Они в свою очередь подразделяются на:

а) гены, обеспечивающие жизнедеятельность клетки;

б) гены терминальной дифференцировки, определяющие
специфические свойства клеток в определенных тка­нях, кодирующие белки. Эти гены характерны для зрелых, функционально активных клеток (например, гемоглобин в эритроцитах);

в) гены, обеспечивающие образование белков, способных
регулировать работу других генов, соединяясь с их регуляторными областями.

3. Мшпохондриалъныегены.

Все соматические клетки организма несут один и тот же набор генов, содержат одинаковое число хромосом, несущих одни и те же аллели.

Тем не менее, клетки многоклеточного организма очень разнообразны по структуре и своим функциям. В одной и той же клетке скорость синтеза белковых молекул может варьироваться в зависимости от обстоятельств.

Данные о механизмах, регулирующих активность генов в клетке, были впервые получены в 1961 г. Жакобом и Моно. На основании своих наблюдений они предложили механизм, объясняющий индукцию и репрессию, — механизм «вклю­чения» и «выключения» генов.

Генетические инструкции, определяющие аминокислот­ную последовательность белков, заключены в структурных генах. Активность этих генов регулируется еще одним ге­ном, который называют геном-регулятором, который пре­пятствует переходу структурных генов в активное состояние. Ген-регулятор содержит генетическую информацию для син­теза репрессора, который препятствует активности структур­ных генов. Репрессор действует на структурные гены не пря­мо, а посредством оказания влияния на участок, примыкаю­щий к структурным генам, называемый оператором.

Репрессор представляет собой особый аллостерический белок, который либо связывается с оператором, подавляя его активность, либо не связывается. Рядом с оператором располагается промотор, действующий между ним и геном-регулятором, контролируя правильность взаимодействия фермента РНК-полимеразы с ДНК. Иногда промотор конт­ролирует транскрипцию нескольких генов. Обычно промо­тор включает около 75 пар оснований.

Последовательность оснований в промоторе определяет, какая из цепей двойной спирали ДНК присоединит к себе РНК-полимеразу и какая из цепей двойной спирали ДНК будет служить матрицей для синтеза мРНК.

Работу генов регулируют еще и участки молекулы ДНК, которые могут существенно влиять на образование РНК. Так, на расстоянии примерно до 1 000 пар нуклеиновых основа­ний от начала гена обычно обнаруживаются последователь­ности, способные значительно ускорять процесс транскрип­ции энхансеры. Для некоторых генов идентифицированы участки ДНК, подавляющие транскрипцию — аттенюато­ры. Обычно они препятствуют движению РНК-полимеразы. Таким образом, сложная система регуляции действия генов обеспечивает точность, своевременность и эффектив­ность процесса синтеза белка в клетке.

---

Дата добавления: 2015-10-02