Молекулярна організація генів.

Сучасне визначення гена. Структура гена про - і эукариотов. Класифікація генів згідно їх функціям. Структурні гени. Поняття про гени «домашнього господарства» і гени термінального диференціювання. Типи регуляторних генів про - і эукариотов.

Як вже наголошувалося, в 1865 р. Г. Мендель відкрив гени. У його розумінні ген – це абстрактний спадковий чинник. У 1909 р. В. Іогансен ввів в науку термін ген. У 1911 р. Т. Морган і співробітники розробили «хромосомну теорію». Вони вважали, що ген – це ділянка хромосоми, відповідальна за прояв певної ознаки. У 1926 р. Т. Морган написав книгу «Теорія гена», де він відзначав, що ген – одиниця мутації, рекомбінації і функції.

У 1934 р. в Нобелівській лекції Т. Морган сказав: «Серед генетиків немає згоди в поглядах на природу генів... Якщо ген матеріальна одиниця, то він є шматочок хромосоми».

У 1940 р. Джордж Бідл і Едвард Татум (США) вивчали генетичний контроль метаболічних реакцій у хлібної цвілі Neurospora crassa і висунули гіпотезу «один ген – один фермент». Проте ген все ще залишався абстрактною одиницею, і його природа була неясна!

Тільки коли довели (Евері, 1944; Ледерберг, 1951; Херши, 1952), що гени побудовані з ДНК, з'явилося визначення: ген – це лінійна ділянка ДНК, що кодує 1 білок.

Пізніше з'ясувалося, що не всі гени кодують білки. Так в 1961 р. французькі генетики Ф. Жакоб і Ж. Моно відкрили регуляцію роботи генів у прокариот і встановили, що в ДНК є ділянки, що не кодують білки. Ці ділянки ДНК назвали функціональною зоною, а ділянки, що кодують білки, – структурною зоною. Ще більше поняття гена ускладнилося після відкриття в 1977 р. переривистої будови генів эукариот. Виявилось, що вони мають кодуючі ділянки (экзоны) і що не кодують (интроны). Інтронов може бути від 1 до 50 на 1 ген. У интронах міститься більше ДНК, чим в экзонах:

У 1952 р. Барбара Мак-клінток (США) виявила у кукурудзи фенотипічний прояв транспозонов – стрибаючих генів. До 1980 р. існування транспозонов було доведене багатьма ученими. Вони властиві всім видам. Їх сотні і тисячі в эукариотической клітці. Вони знаходяться під генетичним контролем і «стрибають» в інше місце хромосоми по команді. Завдяки транспозонам бактерії «розбираються» в антибіотиках і, гинучи від одного, не реагують на дію іншого. Тріпаносома теж міняє гени місцями і набуває стійкості до ферментів «господаря». Транспозони також запускають процеси старіння. У 1976 р. у деяких фагов були виявлені гени, що перекриваються, тобто на 1 ділянці ДНК розташовано 2 гени.

Таким чином, структура гена виявилася дуже складною, поняття про нього розширилося, і вичерпного визначення немає. Робоче формулювання: під терміном «ген» розуміють послідовність нуклеотидов в ДНК, яка обумовлює певну функцію в організмі або забезпечує транскрипцію іншого гена. Функціональна одиниця гена – кодон. Структурна одиниця гена – пара нуклеотидов.

В результаті складних еволюційних перетворень у кожного виду організмів сформувалася складна система генотипу, яка представлена різними по функціях генами.

Ген – це ділянка молекули ДНК, включаючий промотор, транскрибируемую послідовність і терминатор (рис.15). Промотор – невелика ділянка гена, до якого приєднується фермент транскрипції. Кодуюча частина містить інформацію про послідовність нуклеотидов в РНК. Термінатор – сигнальна ділянка про завершення транскрипції.

 

 

Ріс.15. Схема структурно-функціональної організації гена

 

Кожен з елементів гена має складну будову і певні функції.

Кожна з 23 пар интерфазная (G1) хромосома містить одну молекулу ДНК. Розмір ДНК в найбільшій хромосомі 1 (хромосоми нумерують за розміром) - 250 мільйонів пар нуклеотидов, а в найменшій - 47 мільйонів.

Гени розташовані в лінійному порядку. У прокариот лінійні розміри гена узгоджуються з розмірами структурного білка, а у эукариот розміри ДНК набагато перевершують сумарні розміри значущих генів. Кожен ген має своє місце розташування (локус) (рис.16). Сукупність всіх генів називається геномом. Геном людини містить 3,5?1000000000 нуклеотидных пара, що достатньо для освіти 1,5 млн. генів. Проте дослідження показують, що організм людини має приблизно 35000 - 40000 генів. Це означає, що в статевозрілому організмі використовується тільки ~ 2 – 3% записаній генетичній інформації. Значна частина генома використовується на процеси ембріонального розвитку, диференціюванню, зростання і надалі не экспрессируется. Інша значна частина надмірної ДНК входить до складу интронов. І ще більша частина ДНК представлена численними сімействами повторюються послідовностей, що не мають сенсу. Послідовності, що повторюються, зустрічаються з частотою від 2 до 10000000 на одну клітку. Наприклад, ген, кодуючий рРНК, повторюється близько 2 тисяч разів. Очевидно, такі гени, можуть кодувати групи білків або володіти поки невідомими функціями.

Властивості генів:

· специфічність;

· цілісність і дискретність;

· стабільність і лабільність;

· плейотропия; експресивність і пенетрантность.

Класифікація генів:

Регуляторні Структурні

1. Активатори (підсилювачі); 1. Унікальні;

2. Репрессори (глушники); 2. Що повторюються;

3. Промотори; 3. Транспозони;

4. Термінатори; 4. Що мовчать (мутант без експресії).

5. Оператори;

6. Роздільники і ін.

 

 

 

Ріс.16. Розташування генів в интерфазной хромосомі. Гени в ДНК розташовані в лінійному порядку. Кожен ген має своє місце розташування (локус). Теломерниє і центромерные ділянки хромосом не містять генів. Аналогічне розташування аллелей характерне для гомологичной хромосоми: 1 – теломеры, 2 – центромера.

 

Клітки ссавців здатні синтезувати близько 250 тис. білків, а ДНК в клітці хапає на 5 млн. Означає, регуляторні генів в тисячі разів більше, ніж безпосередніх виконавців – структурних генів.

На початку і в кінці кожного гена знаходяться регуляторні послідовності, які визначають: у яких тканинах, на яких етапах розвитку і при яких зовнішніх або внутрішніх (наприклад, гормональних) сигналах працюватиме даний ген.

Регуляторні послідовності знаходяться не тільки поряд з генами, але і в ділянках, що містять так звану реторовирусную ДНК - залишки ретровірусних геномів, які колись вбудувалися в геном людини і переходять в його складі з покоління в покоління. Ретровіруси належать до широкої групи генетичних елементів, реплицирующихся за допомогою зворотної транскрипції. Деякі ретровіруси не пов'язані з якою-небудь хворобою, тоді як інші дуже патогенні, такі як вірус гепатиту В і вірус імунодефіциту людини. Ретровіруси інфікують різноманітні види хребетних, від риб до людини.

Під час реплікації ретровірус копіює свій РНК-геном в ДНК, використовуючи кодований вірусним геномом фермент - зворотну транкриптазу (ревертазу). Вірусна ДНК вбудовується в господарські хромосоми за допомогою іншого вірусного ферменту - интегразы. Якщо вірусний геном вбудовується в господарські гени, це блокує роботу гена. Якщо ділянка вбудовування знаходиться поряд з геном, то регуляторні елементи вірусу можуть впливати на роботу клітинних генів. Вбудовування «чужих» регуляторних послідовностей поряд з генами, що відповідають за чергування фаз ділення і зростання клітки, приводить до переродження клітки в ракову.

При вбудовуванні генома вірусу в зародкову лінію кліток вірусна ДНК успадковується як менделирующий ознака. Більшість вірусних послідовностей вбудувалися в геном предків людини десятки мільйонів років назад. За минулий час в них накопичилася безліч мутацій і вони втратили свою патогенність. Частина з них зберегла здатність «стрибати» по геному, переносячи регуляторні елементи. Ендогенні ретровіруси складають близько 3% ДНК людини.

Гени людини (також як і інших эукариотических організмів) мають складну структуру. Після синтезу РНК деякі її ділянки (їх називають вставними послідовностями або интронами) вирізуються, а ті, що залишилися (їх називають экзонами) зшиваються в єдиний ланцюг, белок-кодирующую послідовність, що містить, і сигнали регуляції трансляції. Інтрон-екзонная структура генів достатньо складна. Екзони можуть з'єднуватися в різних поєднаннях, завдяки чому один ген може визначати синтез декількох десятків що розрізняються своєю амінокислотною послідовністю білків. Відмінності интрон-экзонной структури зрілої мРНК можуть визначати інтенсивність синтезу одного і того ж білка в різних тканинах або на різних етапах онтогенезу.

Більшість генів в кожній клітці «мовчать». Набір активних генів розрізняється залежно від типу тканини, періоду розвитку організму, отриманих зовнішніх або внутрішніх сигналів. Можна сказати, що в кожній клітці «звучить» свій акорд генів, визначаючи спектр мРНК, що синтезуються, кодованих ними білків і, відповідно, властивості клітки.

У кожній клітці (окрім еритроцитів, у яких відсутнє ядро) працюють гени, що кодують ферменти реплікації і репарації ДНК, транскрипції, компоненти апарату трансляції (рибосомные білки, рРНК, тРНК, аминоацилсинтетазы і ін. ферменти), ферменти синтезу АТФ і інші компоненти, необхідні для ведення «домашнього господарства» клітки. Завідують «домашнім господарством» біля однієї п'ятої всіх генів.

Гени людини більш комплексні, ніж у інших вивчених організмів (наприклад, у дрозофилы). Завдяки альтернативному сплайсингу число білкових продуктів, що синтезуються, очевидно, в 1,5—2 рази більше, ніж число генів.

Розмір генів людини, число экзонов і интронов в них варіюють в широких межах (табл.2).

Функції генів. Накопичені відомості про гени людини дозволяють виділити наступні групи по функціях первинного продукту: ферменти; модулятори функції білків; рецептори; чинники транскрипцій; внутріклітинний матрикс; позаклітинний матрикс; трансмембранные переносники; канали; клітинні сигнали; гормони; екстраклітинні переносники; імуноглобуліни і ін.. Безумовно, є ще і гени з невідомим поки дією.

 

Табл.2. Класифікація генів людини за розміром

 

Категорія і первинний продукт	Розмір тис. пар нуклеотидов	кДНК (мРНК), тис. пар нуклеотидов	Число интронов
Малі
а-глобин	0,8	0,5
б-глобин	1,5	0,6
Інсулін	1,7	0,4
Аполіпопротєїн Е	3,6	1,2
Паратиреоїдний гормон	4,2	1,0
Середні
Білок З	11,0	1,04
Колаген I про-al	18,0	5,0
Колаген I про-а2	38,0	5,0
Альбумін	25,0	2,1
Аденозіндезаміназа	32,0	1,5
Чинник IX згортання крові	34,0	2,8
Каталаза	34,0	1,6
Рецептор липопротеинов низької щільності	45,0	5,5
Великі
Фенілаланінгидроксилаза	90,0	2,4
Гігантські
Чинник VIII згортання крові	186,0	9,0
Тиреоглобулін	>300,0	8,7	>36
Трансмембранний регулятор транспорту СГ	-230	6,5
Супергігантські
Дистрофія	>2000,0	~16,0	>60

 

Найбільшу функціональну категорію складають гени, що кодують ферменти (31,2% загального числа). У 2 рази менше генів — модуляторів білкової функції (13,6%). Вони стабілізують, активують, згортають або впливають іншим чином на функції білка. Кожна з решти категорій генів складає менше 10% загального числа.

Всі клітки багатоклітинного організму виникають із зиготы шляхом митоза і отримують повноцінний набір генетичної інформації. Проте, вони відрізняються один від одного по морфології, біохімічним і функціональним властивостям. Ці відмінності засновані на функціонуванні в різних клітках неоднакових частин генома. Велика частина генома знаходиться в клітках організму в неактивному, репресованому, стані, і лише 7-10 % активно транскрибируются. Функціональна активність генів залежить від тканинної приналежності клітки, від періоду її, життєвого циклу і стадії індивідуального розвитку організму. З активно функціонуючих генів в більшості кліток основна маса генів забезпечує синтез білків загального призначення (білки рибосом, гистоны, тубулины і так далі), тРНК і рРНК. Транськрібірованіє цих генів відбувається шляхом приєднання РНК-полімерази до промотору і називаються вони конститутивними генами. Існує ще одна група генів, функціонування яких, а також швидкість і тривалість їх транскрипції залежить від різних регулюючих чинників, що стимулюючих або забороняють з'єднання РНК-полімерази з промотором гена. Називають ці гени - регульовані.

Гени-регулятори під дією клітинних чинників обумовлюють синтез регуляторних білків. Такі білки, з'єднуючись з певними нуклеотидными послідовностями ДНК (оператором), можуть сприяти або перешкоджати приєднанню РНК-полімерази до промотору. У випадку якщо білок регулятор не дає можливість ферменту приєднуватися до промотору, він називається репрессором. В цьому випадку здійснюється негативний контроль транскрипції з боку гена-регулятора. У випадку якщо білок-регулятор сприяє приєднанню РНК-полімерази до промотору і початку процесу транскрипції, його називають білком-активатором, і здійснюється позитивний контроль з боку гена-регулятора.

У эукариот не встановлено повній оперонной організації генетичного матеріалу. Гени ферментів певного метаболічного ланцюга можуть бути розташовані в різних хромосомах. Вони зазвичай не мають загальної системи регуляції у вигляді гена регулятора, оператора і промотора. Тому синтезовані в ядрах эукариот мРНК моноцистронны. Регуляція активності генів у эукариот складніша, оскільки в цьому процесі беруть участь відразу декілька генов- регуляторів, тобто регуляція транскрипції у эукариот є бикомбинативной. Наприклад, в эукариот на молекулі ДНК є спеціальна область біля промотора. Ця область має близько 100 пар спеціальних нуклеотидов (препромоторный елемент). До цієї ділянки молекули приєднується особливий білок – чинник транскрипції. Це забезпечує успішне приєднання ДНК-полимеразы II до промотору.

Ще одна особливість генома эукариот – наявність спеціальних «підсилюючих» сегментів ДНК – энхансеров. Вони можуть розташовуватися на великій відстані від промотора. Їх функцією є участь в регуляції активності структурних генів. У свою чергу і препромоторный елемент, і энхансер регулюються відповідними регуляторними білками. Деякі білки регулятори володіють координуючим впливом на активність багатьох генів, тобто вони володіють плейотропным дією.

Геном эукариот також підкоряється регуляторним діям з боку ендокринної системи організму. Багато гормонів є індикаторами транскрипції. В першу чергу це відноситься до стероїдних гормонів, які оборотно зв'язуються з білками-рецепторами, що переносять їх в ядро. Такий комплекс зв'язується із специфічною ділянкою хроматина, відповідальною за регуляцію генів. Наприклад, дію тестостерона активізують гени, що визначають розвиток організму за чоловічим типом. Ще одна особливість регуляції активності генів эукариот пов'язана з утворенням хроматина – комплексу ДНК з білками. У такому вигляді гени у складі нуклеосом не здібні до транскрипції. Тому необхідною умовою є часткова декомпактизация хроматина і ослаблення зв'язків з гистоновыми білками. Проте повна нуклеосомная організація хроматина в ході транскрипції не втрачається.

Сучасний стан теорії гена. В результаті досліджень елементарних одиниць спадковості склалися уявлення, що носять загальну назву теорії гена. Основні положення цієї теорії наступні:

1. Ген – ділянка молекули ДНК, що має певну послідовність нуклеотидов. Є складною функціональною одиницею спадкової інформації, що складається з різних функціональних сегментів.

2. Різні гени мають різний якісний і кількісний склад нуклеотидов.

3. Кожен ген має певне місце (локус) в хромосомі.

4. Гени здібні до рекомбінації (в процесі кросинговера) і мутації, що забезпечує мінливість.

5. У хромосомі є гени мРНК (структурні гени), гени рРНК і гени тРНК.

6. Серед структурних генів є регуляторні гени, продукти яких регулюють роботу інших структурних генів.

7. Ген не приймає безпосередньої участі в синтезі білків, він є «матрицею» для освіти посередників – різних молекул РНК, що безпосередньо беруть участь в синтезі.

8. Кількість генів може подвоюватися в процесі реплікації, а потім розподілятися в дочірні клітки в результаті митоза або мейоза.

9. Ген може існувати у вигляді різних аллелей, що визначають варіанти ознак.

10. Певний структурний ген кодує синтез одного поліпептиду. Окремий білок може обуславливать певна ознака. Цим обумовлені моногенні ознаки.

11. Клітка, орган або організм володіють багатьма складними ознаками, які складаються з взаємодії багатьох генів, – це полігенні ознаки.

12. Дія гена строга специфічно, оскільки ген може кодувати тільки одну амінокислотну послідовність і регулює синтез тільки одного конкретного поліпептиду.

13. Деякі гени володіють плейотропностью дії, визначаючи розвиток відразу декількох ознак. Наприклад, синдром Марфана.

14. Дозірованность дії гена полягає в залежності інтенсивності прояву ознаки (експресивність) від кількості певного аллеля. Наприклад, багато захворювань в гетерозиготном стані виявляються слабкіше, ніж в гомозиготном.

15. На активність гена може зробити вплив як зовнішнє, так і внутрішнє середовище.

16. Конститутивні гени – це гени, які постійно экспрессируются, оскільки білки, яких вони кодують, необхідні для постійної клітинної діяльності, забезпечують синтез білків «домашнього господарства» - білки рибосом, цитохромов, ферментів гліколізу, переносників іонів і ін. Ці гени не вимагають спеціальної регуляції.

17. Неконститутивні гени – це гени зазвичай неактивні, але экспессируются тільки тоді, коли білок, який вони кодують, потрібний клітці. Ці гени регулюються кліткою або організмом. Ці білки забезпечують диференціювання, специфічність структури і функції кожної клітки.

18. Молекули ДНК здібні до репарації, тому не всякі пошкодження гена ведуть до мутацій.

19. Генотип, будучи дискретним (що складається з окремих генів) функціонує як єдине ціле.