Реалізація генетичного коду (експресія генів)

2. Ген і теорія гена

Формування уявлення про ген як одиницю спадкової інформації відноситься до початку ХХ ст. (датчанин В. Йогансен, 1909). Роботами пізніших дослідників воно було суттєво розширене і свого часу призвело до створення теорії гена, котра формулюється дещо по-різному, але загалом включає такі положення: ген –це

▫ одиниця мутації – тобто змінюється як одне ціле;

▫ одиниця рекомбінації – кросинговер ніколи не спостерігається у межах гену, тобто він рекомбінує як єдине ціле;

▫ одиниця функції – всі мутації гена порушують одну й ту саму генетичну функцію.

Сформувались уявлення про

▫ Геном - сукупність генів, характерних для гаплоїдного набору хромосом даного виду,

▫ генотип - генетична конституція організму, сукупність всіх спадкових задатків даної клітини або  організму, включаючи алелі генів, характер їх зчеплення в хромосомі і наявність хромосомних перебудов. Умови довкілля сприяють певній модифікації прояву генів. Це призводить до того, що успадковується не конкретне вираження тієї чи іншої ознаки, а відповідна норма реакції, завдяки чому  особини з різними генотипами можуть мати однаковий фенотип, а особини з однаковим генотипом можуть у різних умовах давати різні фенотипи.

▫ Алель = алеломорфа – один із багатьох можливих структурних і функціональних станів гена. Протягом еволюції вони виникли внаслідок мутацій єдиного гена – попередника і найчастіше відрізняються один від одного заміною лише одного нуклеотиду (місенс-мутації).

Внаслідок цього різні алелі одного гена можуть мати подібний або різний фенотиповий ефект, тобто кожний ген характеризується множинним алелізмом (алеломорфізмом). Будь-який алель цієї групи має змогу виникати мутаційно від інших алелей. 

Незважаючи на те, що зазвичай такі серійні алелі зумовлюють формування тільки однієї ознаки, деякі з них можуть проявляти плейотропний (множинний) ефект, тобто впливати на кілька різних ознак.

Це зумовлюється тим, що гени взаємодіють між собою і порушення одного етапу в ланцюзі метаболічних процесів неминуче відбивається на іншому етапі обміну речовин. Як наслідок, змінюється кілька фенотипових ознак.

 

Наприклад,

▫ у дрозофіли ген, який визначає відсутність пігменту забарвлення очей, одночасно зменшує плодючість і тривалість життя;

▫ у людини мутація у 6-положенні β-ланцюгу гемоглобіну (глу → вал) призводить до зміни будови еритроцитів, порушень серцево-судинної діяльності, нервової, травної та видільної систем (СКА);

▫ у людини також відомий ген, який у домінантній гомозиготі може викликати синдром Марфана: довгі кінцівки, особливо ноги і пальці (павучі), з одночасним дефектом кришталиків ока та пороком серця тощо.

Відповідні ефекти знаходять своє відображення в існуванні співвідносної мінливості:

▫ червоні квітки → червонувате стебло

▫ руді → ластовиння + біла шкіра

▫ довгі ноги → довга шия тощо.

Із часом були відкриті генокопії, тобто різні гени, що забезпечують однаковий фенотиповий ефект.

Наприклад, у людини відомо кілька форм рецесивної спадкової глухоти, які провокуються 3 аутосомними генами і 1 геном в Х – хромосомі.

Але в різних випадках глухота супроводжується або пігментним ретинітом, або зобом, або аномальною ЕКГ.

Окрім генокопій виявлено чимало інших структур геному (МГЕ, псевдогени тощо), які спричинили необхідність вдосконалення теорії гена.

Внаслідок цього сьогодні ген визначають як одиницю спадкової інформації, котра займає певне положення в хромосомі (ланка ДНК або РНК) і контролює виконання специфічної функції в організмі.

Кожний ген у хромосомі представлений щонайменш 2 алелями. Це зумовлює наявність гомозигот (мають однакові алелі від батьківського та материнського організмів) і гетерозигот (мають різні алелі від батьківського та материнського організмів), у яких відповідна ознака проявляється по-різному.

Зокрема, у гетерозигот це залежить від того, до складу яких генів входять ці алелі. Взаємодія алельних генів (пара генів, які визначають розвиток альтернативних ознак і утворюють алельну пару; кожний із таких генів називається алелем) призводить до того, що реалізуються кілька можливих варіантів: повне домінування, неповне домінування і кодомінування.

Для неалельних генів (можуть знаходитись у різних ділянках хромосом) характерними є більш складні варіанти взаємодій, а саме:

▫ новоутворення,

▫ комплементарність,

▫ домінантний і рецесивний епістаз (супресія генів),

▫ полімерія.

САМОСТІЙНО на лабораторних заняттях.

Крім того, взаємодії між генами можуть суттєво змінювати так звані гени-модифікатори. Вони часто не мають власного фенотипового ефекту і про їх існування дізнаються через зміну інших ознак. За типом свої дії такі гени поділяються на посилювачі та послаблювачі відповідних ознак. Фенотип "Бомбей" – порушується синтез спільного для антигенів А і В попередника Н.

Характер прояву ознак у гетерозигот можна оцінити ще й за такими параметрами як пенетрантність і експресивність.

Пенетрантність – частота фенотипового прояву гена у різних особин одного виду. Визначається як % особин, у яких цей ген проявляється фенотипово, від загального числа осіб, що мають такий ген. Вона може бути повною (ген проявляється у 100% особин, що його мають) і неповною (ген проявляється не у всіх особин, що його мають).

Експресивність – ступінь фенотипового прояву ознаки. Суттєвий вплив на цей показник мають умови довкілля.             

Різноманітні варіанти прояву генів зумовлені особливостями їх будови.

Будова гену прокаріотів - самостійно

Ключові слова:

▫ кільцеві ДНК і РНК

▫ плазміди

▫ розміри геному

▫ зчеплення генів

▫ відсутність повторів НК

▫ оперон

▫ промотор

▫ структурні гени

▫ ген-регулятор

▫ ген-оператор

Будова гену еукаріотів

Еукаріотичний геном, на відміну від прокаріотичного, має складну мозаїчну будову із чергуванням кодуючих і некодуючих послідовностей ДНК.

Кодуючі  послідовності – екзони – це сегменти ДНК, які кодують певний поліпептид, функціональну РНК або їхні складові частини.

Некодуючі послідовності – інтрони – входять до складу гену, але не містять інформації про структуру білків. Кожний ген має специфічне співвідношення інтронів (до 10) та екзонів.

РНК-полімераза під час транскрипції не може відрізняти екзони від інтронів і синтезує пре-мРНК, яка для перетворення у справжню мРНК має пройти через процесинг, пов’язаний із вирізанням інтронів і зшиванням екзонів.

Окрім мозаїчної будови кодуючих ділянок, що відповідають білкам, рРНК і тРНК, ген еукаріотів містить складну регуляторну частину.

Справжня кількість регуляторних генів та багато їх функцій досі зостаються невідомими.

Крім того, виділяють групу так званих псевдогенів – це ділянки геному, які у структурному відношенні схожі на справжні гени, що втратили свою функцію і не можуть кодувати білків, рибосомних або тРНК.

Причинами переходу деяких генів у стан псевдогенів можуть бути

▫ мутації;       наявність дефектних стоп – кодонів;

▫ втрата певної частини кодуючих і

▫ регуляторних послідовностей тощо.

Як правило, псевдогени тісно зчеплені з відповідними функціонально активними генами.

Серед псевдогенів виділяють підклас процесованих псевдогенів(ретрогени, ретропсевдогени), які зазвичай не зчеплені з відповідним активним геном, а розкидані по всьому геному, в тому числі й по різним хромосомам. За своєю структурою такі гени більше походять на ДНК-копії мРНК, ніж на справжні гени, так як не мають інтронів. Були одержані дані, котрі дозволяють припустити, що такі процесовані псевдогени постали внаслідок зворотної транскрипції з наступною транспозицією.

Процес зворотної транскрипції дуже неточний → багато помилок → втрата функції

В деяких випадках число процесованих псевдогенів може на кілька порядків перевищувати кількість відповідних функціональних генів.  

Уся різноманітність генів зумовлюється специфічними особливостями будови ДНК.

3. Нуклеїнові кислоти

ДНК, що входить до складу гена, окрім кодуючих, некодуючих і регуляторних послідовностей, містить

▫ спейсери – неінформативні ділянки різної довжини, які відокремлюють гени один від одного;

▫ енхансери – активатори.

▫ повтори некодуючого типу (негенна ДНК), які утворюють відносно гомогенні родини

▫ МГЕ тощо.

Вона має вигляд подвійної α-спіралі, що формується і зберігається за рахунок комплементарної взаємодії між азотистими основами А, Т, Г, Ц

самостійно: будова нуклеотидів + взаємодія між ними

Найбільш поширеною є В-форма α-спіралі, коли вуглеводно-фосфатний остов обох ланцюгів закручується вправо.

Гнучкість зв’язків між компонентами ДНК призводить до того, що вона здатна формувати альтернативні конфігурації:

· А-форма, котра виглядає коротшою і товстішою (менша відстань між нуклеотидами);

· лівозакручена Z-форма (довша і тонша).

· 3-нитчаста Н - форма ДНК, яка виявлена в інтронах і кінцевих ділянках генів. Вона утворює петлі, що мають вигляд розеток і відіграють суттєву роль у процесах швидкої компактизації – декомпактизації хроматину (еухроматин – гетерохроматин).

За розмірами ДНК із кодуючими властивостями становить собою лише незначну частину геному (у людини близько 3%). Решта ДНК – надлишкова.

Цей феномен значного переважання некодуючих послідовностей у геномі еукаріотів одержав назву С-парадоксу (С – сумарна кількість ДНК у гаплоїдному наборі).

Внаслідок цього немає чіткої відповідності між розмірами геномів і еволюційною досконалістю різних груп організмів (серед хребетних особливо багато ДНК у амфібій → більше ніж у ссавців у 25-30 разів).

Було встановлено, що така надлишкова негенна ДНК (відсутня у прокаріотів) представлена повторами різної природи.

Повтори можуть бути організованими у блоки (тандемні повтори) або бути розсіяними по всьому геному (дисперговані повтори).

Тандемні повтори виникають, переважно, внаслідок нерівного кросинговеру й утворюють блоки

~ однакових (гени рРНК і гістонів) або

~ споріднених різних генів (гени глобінів)

Тандемні повтори одержали назву сателітної ДНК. Вони можуть локалізуватися всередині генів, між ними, в області центромер і теломер. У деяких видів становлять більшу частину геномної ДНК.

Дисперговані повтори виникають головним чином внаслідок транспозицій. Вони віднайдені в інтронах, кінцевих ділянках генів, у складі міжгенних та негенних ланок ДНК і поділяються на 2 класи:

LINE – повтори: довгі дисперговані елементи, що містять гени зворотних транскриптаз.  Такі самі гени містять і МГЕ, що зустрічаються у різних організмів, але на відміну від них line – ділянки не мають довгих 5′-кінцевих повторів.

SINE – повтори мають меншу довжину (90-400 п.н.). У геномі ссавців і людини вони формують так звані alu - послідовності, з яких складається ~5% ДНК. Вони чутливі до дії різних хімічних, фізичних і біологічних факторів, що спричинює їх нестабільність і схильність до різних перетворень.

Механізми виникнення повторів:

▫ нерівний кросинговер (рекомбінація)

▫ конверсія генів (спрямовані зміни алелей внаслідок взаємного впливу)

▫ дуплікації (ампліфікації)

Можливі функції негенної ДНК:

▫ регуляція процесу упаковки ДНК у ядрі

▫ зв’язування з хромосомними білками з подальшим впливом на організацію хромосом

▫ регуляція активності генів

Будова різних РНК (тРНК) – самостійно

4. Генетичний код

Це властива всім організмам єдина система запису спадкової інформації в молекулах НК. Генетичний код визначає послідовність включення АК у білок відповідно до послідовності нуклеотидів ДНК гена.

У вузькому значенні слова – це словник кодонів (триплетів), які визначають АК, і знаки пунктуації білкового синтезу.

Оскільки генетичний код зчитується з іРНК, то він записується за допомогою таких нуклеотидів як А, Г, Ц та У.

Загальні властивості генетичного коду:

▫ триплетність –  кожна амінокислота кодується трьома нуклеотидами, із яких важливішими є 2 перші, а третій може змінюватися;

▫ неперехрещуваність – кодони одного гену не перехрещуються між собою, тобто кожний із нуклеотидів може входити до складу лише 1 кодону;

▫ виродженість – більшість АК кодується кількома кодонами (синонімічні кодони). однозначність – кожен окремий кодон відповідає тільки одній амінокислоті. Це забезпечується жорсткою специфічністю аміноацил-тРНК-синтетаз, кожна з яких пізнає тільки 1 АК;

▫ колінеарність – лінійна послідовність триплетів у молекулах іРНК і ДНК відповідає лінійному порядку розташування АК у поліпептидних ланцюгах (первинній структурі білків);

▫ компактність – між кодонами немає "роздільних знаків, ком", тобто відсутні нуклеотиди, які б відокремлювали один кодон від іншого;

▫ універсальність – основна частина генетичного коду однакова для всіх організмів, але в деяких специфічних системах трансляції (мітохондрії, хлоропласти, мікоплазми, війчасті найпростіші тощо) віднайдені незначні відхилення від стандартного набору. Це своєрідні "діалекти" коду, що відображають специфіку їх еволюції та функціонування.

▫ зчитування інформації починається з певної точки, яка представлена кодоном ініціації (АУГ, ГУГ – формілметіонін), і здійснюється в одному напрямку;

▫ зчитування інформації завершується на кодонах термінації. До них відносяться УАГ, УГА, УАА та інші, котрі використовуються значно рідше і суттєво не порушують однозначність кодування.

Такі властивості генетичного коду забезпечують можливість формування найрізноманітніших ознак за допомогою двох матричних процесів: транскрипції і трансляції.

Інформаційні взаємодії між ДНК, РНК і білками охоплюють такі процеси як

▫ реплікація забезпечує відтворення ідентичної копії батьківської ДНК;

▫ транскрипція – переписування інформації з ДНК на іРНК;

▫ трансляція (переведення) цієї інформації на рівень білків.

Крім того, інформація може передаватись у зворотному напрямку (від РНК до ДНК). Цей процес називається зворотна транскрипція.

Від білків до НК інформація не передається, тобто зворотна трансляція не виявлена.

Транскрипція 

у прокаріот здійснюється за допомогою одного ферменту (ДНК-залежна РНК-полімераза), який забезпечує синтез всіх типів РНК.

В еукаріотів існують три різні ДНК-залежні РНК-полімерази, кожна з яких відповідає за транскрипцію генів, які кодують різні типи РНК:

▫ I-рибосомні,

▫ II-матричні,

▫ III-транспортні + 5S РНК.

Механізми синтезу РНК для всіх РНК-полімераз є ідентичні, але кожний фермент пізнає свої характерні особливості відповідної ділянки ДНК, які визначають сайти ініціації, термінації та регуляції транскрипції.

Транскрипція ініціюється на особливих послідовностях – промоторах – і продовжується на решту гена (елонгація).  

Термінація транскрипції здійснюється за допомогою послідовностей ДНК, які утворюють шпильки, з якими взаємодіє ρ-фактор. Цей невеликий білок міцно зв’язується з ДНК і перешкоджає подальшому просуванню РНК-полімерази вздовж гена. Синтез відповідної РНК закінчується.

Оскільки РНК-полімераза не може відрізняти екзони від інтронів, то іРНК, що синтезується на основі генів еукаріот, характеризується відповідною до них мозаїчною будовою.

Це так званий первинний транскрипт або пре-мРНК, котра має численні некодуючі послідовності.

Тому після завершення транскрипції відбувається вирізання інтронів (нуклеази) і зшивання екзонів (лігази), а також приєднання до іРНК регуляторних послідовностей (кеп → рибосома,   полі–А → вихід із ядра), що є суттєвим для нормальної експресії генів. Така послідовність подій називається  дозріванням або процесингом пре-мРНК. 

При цьому в еукаріотів досить поширеним є так званий диференційований процесинг, коли один й той самий первинний транскрипт може нарізуватись і з’єднуватись різними шляхами (альтернативний сплайсинг), даючи кілька мРНК, що кодують різні білки.

Наприклад,

1) Синтез різних гормонів і нейромедіаторів гіпофізу із одного попередника (одного гена)

2) Стать у дрозофіли визначається одним геном, але для формування чоловічої статі з нього зчитується один набір екзонів, а для жіночої – інший.

3) Пептиди ГМ ендорфіни та енкефаліни синтезуються із одного попередника внаслідок різних варіантів його процесингу залежно від типу клітин і стадії розвитку організму тощо.