Молекулярна організація генів еукаріотів

Встановлення структури генів еукаріотів є одним із головних відкриттів кінця XXст. Доведено, що структурний ген, який кодує білок, має дуже складну будову. На початку гена розташовані ділянки регуляції гена. Спочатку розташована ділянка промотора, відповідальна за приєднання РНК-полімерази та наступної ініціації транскрипції РНК-полімераза приєднується до цієї послідовності так, що її активний центр розташовується над першим нуклеотидом, що зчитується. Ця ділянка складається із сайту-розпізнавання, сайту-зв'язування і сайту-ініціації. Комбінація нуклеотидів у промоторі специфічна і при порушенні рамки зчитування утворює стоп-кодони, що призводить до припинення транскрипції. У ділянці промотора розташований оператор, який може приєднувати фактори регуляції транскрипції. Між сайтом транскрипції і сайтом трансляції лежить проміжна ділянка ДНК, що складається з 50 пар основ і називається лідерною послідовністю. Далі з'являється частина структурного гена, що складається з екзонів і інтронів. Після цього- кодон-термінації трансляції. Потім трейлер і сайт. Ця ділянка ДНК необхідна для припинення транскрипції. Послідовність термінатора транскрипції зупиняє процес транскрипції.

На відміну від прокаріотів, еукаріоти мають відмінності і в самій організації генетичного матеріалу. Якщо у бактерій кодуючи гени є неперервними послідовностями нуклеотидів, то практично в усіх еукаріотів гени є переривчастими: кодуюча частина гена один або декілька разів переривається некодуючою ділянкою.

Відкриття явища переривчастості гена еукаріотів сприяло формуванню уяви про мозаїчну будову гена -коли кодуючи послідовності ДНК у межах того ж гена розділяються некодуючими вставками з неінформаційної ДНК. Кодуючи ділянки отримали назву- екзони, а неінформаційний матеріал- інтрони.

Відкриття екзонно-інтронної організації генів сприяло обґрунтуванню того, що поряд з міжгенною існує і внутрішньогенна функціональна взаємодія. Ген складається з окремих ділянок-центрів, названих трансгенними, які мають схожі функції. Між трансгенами одного гена існують такі ж алельні взаємозв'язки, як і між окремими функціонально різними генами.

Американський вчений-генетик Барбара Мак-Клінток, вивчаючи природу різного забарвлення зерен кукурудзи в одному качані, зробила припущення, що існують так звані мобільні гени, які контролюють пігментацію зерен. Цей ген розташований в гетерохроматиновій ділянці хромосоми, і коли він перебуває поруч з геном, відповідальним за пігментацію, то блокує його дію. Стрибаючий ген (мобільний ген) регулярно викликає розриви у суміжних з ним ділянках хромосом. Справедливість такої гіпотези була експериментально підтверджена на інших генетичних моделях (дрозофіли, миші та ін.)

ДНК багатьох видів містять мобільні генетичні елементи -послідовності, здатні «стрибати» з одної ділянки ДНК в іншу і в нових місцях залишати свої копії, збільшуючи тим самим генетичний матеріал. Кожний з мобільних генів складається з декількох тисяч ланок. На обох кінцях такого елементу розташовані однакові ділянки. Вони забезпечують рухливість генів і включають ген у роботу.

Мобільні генетичні елементи забезпечують підвищений синтез РНК і виконують наступні функції: а)є важливим фактором біологічної еволюції; б) утворюють новий генетичний матеріал, який може використовуватися для формування нових генів; в) впливають на мінливість організму; г) порушують роботу генетичного апарату, що призводить до утворення ракових клітин.

Внаслідок досліджень елементарних одиниць спадковості виникли поняття, що носять загальну назву теорії гена. Основні положення цієї теорії:

1. Ген займає певну ділянку (локус) у хромосомі.

2. Ген (цистрон)- частина молекули ДНК, яка має певну послідовність нуклеотидів, являє собою функціональну одиницю спадкової інформації. Кількість нуклеотидів, які входять до складу різних генів, різна.

3. Всередині гена можуть відбуватися рекомбінації (до неї здатні частини цистрона- рекони) і мутації (до них здатні частинки цистрона- мутони).

4. Існують структурні і функціональні гени.

5. Структурні гени кодують синтез білків, але ген не бере безпосередньої участі у синтезі білка. ДНК-матриця для молекул іРНК.

6. Функціональні гени контролюють і спрямовують діяльність структурних генів.

7. Розташування триплетів із нуклеотидів у структурних генах колінеарне до амінокислот у поліпептидному ланцюзі, який кодується даним геном.

8. Молекули ДНК, які входять до складу гена, здатні до репарації, тому не всі пошкодження гена ведуть до мутації.

9. Генотип складається з окремих генів (дискретний), але функціонує як єдине ціле. На функцію генів впливають фактори як внутрішнього, так і зовнішнього середовища.

Подальший розвиток теорії гена зв'язаний із з'ясуванням відмінностей в організації генетичного матеріалу у організмів, що далекі один від одного в систематичному відношенні, а також у встановленні основних тенденцій еволюції гена.

 

СИНТЕЗ БІЛКА В КЛІТИНІ

Молекулярні механізми білкового синтезу в основному є спільними для всіх живих організмів. Зчитування інформації, записаної в послідовності нуклеотидів мРНК, та її переклад у амінокислотний текст розпочинається зі стартового кодона, де при ініціації трансляції відбувається остаточне збирання головного пристрою трансляції рибосоми-комплексу рРНК і білків. Вона сканує нуклеотидну послідовність мРНК, рухаючись уздовж неї кроками по три нуклеотиди від 5'-до 3'-кінця під час елонгації трансляції до стоп-кодона, де відбувається термінація процесу. Під час сканування рибосома працює як декодуючий пристрій, забезпечуючи впізнання кодонів комплементарними щодо них триплетами (антикодонами) у складі тРНК, і як каталізатор процесу синтезу пептидного зв'язку між амінокислотами. Певний антикодон відповідає амінокислоті певного типу, яку несе на собі тРНК. Отже, тРНК є ключовою ланкою реалізації генетичного коду: саме вони забезпечують доставку амінокислот до рибосоми в порядку, який відповідає послідовності кодонів.

Здатність до біосинтезу білка з особливою силою проявляється в період росту клітини. Синтез білка складається з декількох етапів (рис.3.3). ДНК створює РНК, а РНК створює білок.

ДНК ядро

тРНК (амінокислоти)

мРНК

рибосома

трансляція

поліпептид

Цитоплазма

Оболонка ядра

 

 

Рис. 3.3. Загальна схема синтезу білка у клітині

І етап. Транскрипція. Молекули ДНК кожної клітини містять інформацію для синтезу всіх необхідних їй білків. Молекули ДНК містяться в ядрі, а синтез білків відбувається в цитоплазмі. ДНК не може переміщуватися до місця синтезу білків у цитоплазму. Вона передає інформацію про структуру білків за участю специфічних молекул іРНК, що утворюються на ДНК і переносяться з ядра в цитоплазму до місця синтезу білків. У синтезі білків беруть участь також інші РНК (тРНК і рРНК). Утворення молекул РНК на матриці ДНК називається транскрипцією. При цьому матрицею для синтезу РНК служить тільки один ланцюг ДНК. Подвійна спіраль ДНК під дією ферментів розплітається на певній ділянці, і на одному з її ланцюгів синтезується іРНК за принципом комплементарності. Потім іРНК переміщується з ядра в цитоплазму. Цей процес відбувається, в основному, під час інтерфази. На генах матриці ДНК утворюються всі три типи РНК-іРНК, тРНК, рРНК. Зчитування спадкової інформації з генів регулюється спеціальними білками. Зокрема, гістони не тільки забезпечують структурну організацію хроматину, але є репресорами. Початок зчитування генетичної інформації пов'язаний зі звільненням певної ділянки ланцюга ДНК (гена) від гістонів, після чого ген активується і з нього починається зчитування спадкової інформації. Негістонові білки мають здатність розпізнавати гени, і цим забезпечується синтез необхідних білків.

Утворена таким чином молекула являє собою первинний транскрипт -попередник іРНК (або про-іРНК). Потім відбувається дозрівання іРНК. Молекулярні механізми, пов'язані з «дозріванням» різних типів РНК, називаються процесинг (рис.3.4).Вони здійснюються в ядрі перед виходом РНК із ядра в цитоплазму. Причому, утворення про-іРНК та процесинг однаково відбуваються як для іРНК, так і для тРНК. Значення процесингу полягає в тому, що еукаріотична клітина може додатково контролювати процеси утворення білків, регулювати свій метаболізм, структуру і функції.

 

 

 

Рис. 3.4. Процесинг іРНК і його місце в експресії гена (Пішак В.П., Бажора Ю.І., Брагін Ш.Б. та ін., 2004.-С.- 98.)

 

Отже, про-іРНК являє собою довгу функціонально переривчасту молекулу, яка складається з екзонів та інтронів, що чергуються між собою. У процесі «дозрівання» іРНК спеціальні ферменти вирізають інтрони і зшивають активні ділянки, що залишилися (екзони). Цей процес називається сплайсингом. Тому послідовність нуклеотидів у дозрілої іРНК не є цілком комплементарною нуклеотидам ДНК. В іРНК поруч можуть стояти такі нуклеотиди, комплементарні яким нуклеотиди в ДНК знаходяться один від одного на значній відстані. Сплайсинг-дуже точний процес. Його порушення змінює рамку зчитування при трансляції, що призводить до синтезу іншого пептиду. Точність вирізання інтронів забезпечується розпізнаванням ферментів певних сигнальних послідовностей нуклеотидів у молекулі про-іРНК.

Існує і зворотня транскрипція -синтез ДНК на матриці молекули РНК (у ретровірусів) за допомогою фермента - ревертази. Ретровіруси являють собою родину вірусів, генетичний матеріал яких складає РНК.

ІІ етап. Активація амінокислот. Амінокислоти (АК) в цитозолі клітини вступають в реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою амінокислотою. Реакцію каталізує фермент аміноацил-тРНК-синтетаза. Для кожної амінокислоти існує свій особливий фермент. Активована амінокислота приєднується до своєї специфічної тРНК. Реакція каталізується тим же ферментом. тРНК-амінокислотний комплекс, що утворився, називається навантаженою тРНК (аміноацил-тРНК). Процес розпізнавання амінокислот тРНК називають рекогніцією. Аміноацил-тРНК-комплекс надходить до місця синтезу білків, а вільний фермент може знову активувати наступну молекулу амінокислоти.

ІІІ етап. Трансляція. Трансляція - синтез відповідної амінокислотної послідовності в молекулі білка. Рибосоми є місцем синтезу білка (рис.3.5).

Рибосома «зчитує» інформацію, пересуваючись в одному напрямку з іРНК-зліва направо. До іРНК, що знаходиться між двома субодиницями рибосоми, послідовно приєднуються молекули тРНК зі своїми амінокислотами. У кожній тРНК є акцепторна ділянка, до якої приєднується відповідна амінокислота, і ділянка, що містить антикодон- послідовність із трьох нуклеотидів, суворо комплементарна кодонові іРНК, який відповідає певній амінокислоті. У рибосомі одночасно можуть знаходитися дві тРНК зі своїми амінокислотами.

 

Рис. 3.5. Трансляція

 

Між амінокислотами утворюється пептидний зв'язок-за рахунок енергії АТФ і за участі певних ферментів. У цитоплазму йде тРНК, що звільнилася, рибосома просувається молекулою іРНК на наступний кодон, і до неї підходить наступна тРНК з відповідною амінокислотною, утворюється пептидний зв'язок між наступними амінокислотами. Коли рибосома досягає стоп-кодона, вона розпадається на субчастки і синтез поліпептидного ланцюга (первинної структури білка) припиняється.

ІV етап. Формування просторової конфігурації поліпептиду. Відбувається у творення вторинної і третинної структур молекули білка. Етап відбувається в цитоплазмі. Міжпептидні водневі зв'язки формують вторинну структуру. Зв'язки між R-групами формують третинну структуру білка, синтезована молекула білка стає функціонально активною, проникає в порожнину ЕПС і транспортується по ній у певну ділянку клітини.

Білковий синтез є основою поділу, диференціювання, росту й розвитку організмів, забезпечує особливості метаболізму і функцій. Білки сприяють об’єднанню клітин у групи, що призводить до утворення тканин і органів. Будь-які порушення трансляції та синтезу білків спричиняють порушення метаболізму, функцій, що призводить до появи хвороб.