Генный уровень организации наследственного материала у эукариот: мозаичное строение гена, феномены процессинга и сплайсинга.

Наследственный материал прокариотической клетки содержится главным образом в единственной кольцевой молекуле ДНК.

Наследственный материал эукариот больше по объему, чем у прокариот. Он расположен в основном в хромосомах, которые отделены от цитоплазмы ядерной оболочкой.

Значительные отличия имеются в молекулярной организации генов эукариотической клетки. В большинстве из них кодирующие последовательности экзоны прерываются интронными участками, которые не используются при синтезе тРНК, рРНК или пептидов. Эти участки удаляются из первично-транскрибируемой РНК, в связи с чем использование генетической информации в эукариотической клетке происходит несколько иначе. В прокариотической клетке, где наследственный материал и аппарат биосинтеза белка пространственно не разобщены, транскрипция и трансляция происходят почти одновременно. В эукариотической клетке эти два этапа не только пространственно отделены ядерной оболочкой, но и во времени их разделяют процессы созревания мРНК, из которой должны быть удалены неинформативные последовательности. Это и есть мозаичность генов эукариот: участки ДНК, несущие информацию о структуре белка, разделены неинформативными, некодирующими, участками. Последовательность нуклеотидов, кодирующая белок, называется экзоном, некодирующая — интроном.

Все виды РНК (кроме вирусных) синтезируются на молекуле ДНК путём транскрипции. Сначала синтезируется более длинный предшественник – первичный транскрипт, который путём процессинга превращается в более короткую РНК. Первичный транскрипт и промежуточные продукты процессинга называется проРНК. При процессинге РНК укорачивается, а затем происходит сплайсинг (сращивание гена). Вырезаются интроны и остаются экзоны. Также происходит метилирование и гидрирование нуклеотидов РНК.

34. Регуляция экспрессии генов у эукариот, роль стероидных гормонов.  

Регуляция активности генов у эукариот изучена менее полно, чем у вирусов и прокариот, что обусловлено наличием у них ядра, сложно устроенных хромосом и дифференциацией клеток. Допускается, что в основе регуляции действия генов у эукариот лежат механизмы, в принципе сходные с таковыми у вирусов и прокариот. Однако, есть и существенные отличия:

1) почти всегда оперон эукариот содержит только один структурный ген в то время как у вирусов и прокариот в большинстве оперонов их бывает несколько, иногда более десятка;

2) у эукариот структурные гены, ответственные за разные звенья той или иной цепи биохимических реакций, как правило, разбросаны по геному, а не сосредоточены в одном опероне, как это часто имеет место у прокариот;

3) у эукариот существует одновременное групповое подавление активности генов во всем ядре, в целой хромосоме, или в большом ее участке. Такая групповая репрессия генов осуществляется в значительной мере гистонами — белками, входящими в состав эукариотических хромосом. Пример групповой регуляции активности генов — это полное прекращение транскрипции всех генов при сперматогенезе;

4) существует система регуляции с помощью стероидных гормонов. Последние связываются со специальными белками-рецепторами, расположенными в мембранах клеток-мишеней. Синтез белков-рецепторов контролируется геном тестикулярной феминизации Х-хромосомы. Такой комплекс обеспечивает активацию определенного гена.

5) транскрипция и трансляция у эукариот разобщены (у прокариот — сопряжены): синтез и-РНК происходит в ядре, а белков — в цитоплазме на рибосомах. Без гормонального сигнала, некоторые и-РНК остаются не транслированными.

Регуляция транскрипции у эукариот (схема Г. П. Георгиева). Информативная зона содержит один структурный ген, имеющий мозаичное строение: он содержит экзоны — информативные участки и интроны — неинформативные участки ДНК. Структурный ген заканчивается терминатором транскрипции. Работу транскриптона регулирует блок генов-регуляторов. На основе их информации синтезируется несколько белков-репрессоров, которые блокируют гены-операторы. Так же как и у оперона, считывание информации со структурного гена происходит, когда в клетку попадают индукторы. В данном случае индукторами являются вещества сложного строения (например, гормоны). Индукторы освобождают геныоператоры от белков-репрессоров. Синтезируется иРНКпредшественница (про-иРНК) содержащая информацию о всей последовательности транскриптона, его информативной и неинформативной части. В ядре под действием экзо- и эндонуклеаз происходит процессинг проиРНК — разрушение неинформативной части и расщепления ее на фрагменты, соответствующая экзонам. ИРНК образуется в результате сплайсинга (сшивания) информативных участков ферментами лигазами. После таких преобразований зрелая иРНК поступает в цитоплазму на рибосомы, где синтезируется белок, закодированный в транскриптоне. При разрушении индукторов восстанавливается блокирование генов-операторов белками-репрессорами, и транскриптон выключается.

Примером сложной экспрессии генов может служить генный контроль синтеза гемоглобинов у человека. Известно, что гемоглобин человека является тетрамером, т. е. состоит из 4-х субъединиц. У взрослого человека они представлены парными полипептидными цепями. Каждая цепь контролируется определенным генным локусом.

35. Мультимерная организация белков (гемоглобины человека). Онкогены.

НbА и НbА2 относятся к нормальным гемоглобинам человека. В эритроцитах плода около 80 % гемоглобина представлено формой НbF, его молекула состоит из 2-х цепей α и 2-х цепей γ. У больных серповидноклеточной анемией имеется особый гемоглобин Нbs, который отличается от нормального НbА тем, что у него в одной β цепи в 6-м положении глутаминовая кислота заменена валином. Существует мутантная форма гемоглобина —НbC. В нем в 6-м положении глутаминовая кислота заменена лизином.
Четыре типа гемоглобинов контролируются отдельными генами:
— локус αА определяет формирование α цепей в течение всей жизни у всех четырех гемоглобинов;
— локус βА контролирует формирование β цепей только в НbА после рождения;
— локус γF определяет синтез γ цепи в гемоглобине НbF в течение внутриутробной жизни;
— локус σА2 определяет синтез σ цепей в гемоглобине НbА2 в течение всей жизни после рождения.
Локусы αА, βА, σА2, γF тесно сцеплены в хромосоме. Все 4 указанных
генов — структурные. В их действии имеется сложная экспрессия, благодаря чему возникают 4 типа гемоглобинов.
Экспрессия генов βА, σА2 находится под влиянием генов-регуляторов.
У взрослого человека происходит замена НbF плода на НbА или НbА2.
При этом происходит репрессия гена γF и включение гена βА. Взаимодействие генов αА, βА, σА2 определяет развитие нормального гемоглобина и и
является примером межгенного взаимодействия. При формировании гемоглобина серповидноклеточной анемии наблюдается межаллельное взаимодействие аллели βА и ее патологической аллели.