Лекционный материал. Ген (др.-греч. γένος — род) — структурная и функциональная единица наследственности живых организмов

Ген (др.-греч. γένος — род) — структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой последовательность ДНК, задающую последовательность определённого полипептида либо функциональной РНК. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. При этом некоторые органеллы (митохондрии, пластиды) имеют собственную, определяющую их признаки, ДНК, не входящую в геном организма.

В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены — это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма.

В то же время, каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК, таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis-регуляторные элементы, англ. cis-regulatory elements), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами, инсуляторами и супрессорами (иногда классифицируемые как trans-регуляторные элементы, англ. trans-regulatory elements). Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.

Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из четырёх видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.

Гены могут подвергаться мутациям — случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное изменённое или анормальное функционирование организма. Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами и вариациями числа копий (англ. copy number variations), такими как делеции и дупликации, которые составляют около 1 % всей нуклеотидной последовательности человека. Однонуклеотидные полиморфизмы, в частности, определяют различные аллели одного гена.

Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие в себя азотистые основания: аденин(А) или тимин(Т) или цитозин(Ц) или гуанин(Г), пятиатомный сахар-пентозу-дезоксирибозу, по имени которой и получила название сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов.

Свойства гена.

дискретность — несмешиваемость генов;

стабильность — способность сохранять структуру;

лабильность — способность многократно мутировать;

множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;

аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;

специфичность — каждый ген кодирует свой признак;

плейотропия — множественный эффект гена;

экспрессивность — степень выраженности гена в признаке;

пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе;

амплификация — увеличение количества копий гена.

Строение гена.

Согласно современным представлениям, ген, кодирующий синтез определенного белка, у эукариот состоит из нескольких обязательных элементов. Прежде всего это обширная регуляторная зона, оказывающая сильное влияние на активность гена в той или иной ткани организма на определенной стадии его индивидуального развития. Далее расположен непосредственно примыкающий к кодирующим элементам гена промотор – последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, ответственная за связывание РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена. Вслед за промотором лежит структурная часть гена, заключающая в себе информацию о первичной структуре соответствующего белка. Эта область для большинства генов эукариот существенно короче регуляторной зоны, однако ее длина может измеряться тысячами пар нуклеотидов.

Важная особенность эукариотических генов – их прерывность. Это значит, что область гена, кодирующая белок, состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов. Одни – экзоны – это участки ДНК, которые несут информацию и строении белка и входят в состав соответствующих РНК и белка. Другие – интроны – не кодируют структуру белка и в состав зрелой молекулы и-РНК не входят, хотя и транскрибируются. Процесс вырезания интронов – «ненужных» участков молекулы РНК и сращивания экзонов при образовании и-РНК осуществляется специальными ферментами и получил название Сплайсинг (сшивание, сращивание). Экзоны обычно соединяются вместе в том же порядке, в котором они распологаются в ДНК. Однако не абсолютно все гены эукариот прерывисты. Иначе говоря, у некоторых генов, подобно бактериальным, наблюдается полное соответствие нуклеотидов последовательности первичной структуре кодируемых ими белков. Таким образом, ген эукариот во многом похож на оперон прокариот, хотя и отличается от него более сложной и протяженной регуляторной зоной, а также тем, что он кодирует обычно только один белок, а не несколько, как оперон у бактерии.

 

Организация генома прокариот.

Главная особенность организации генома прокариот — это их объединение в группы, или кластеры. Все сцепленные гены клас­тера кодируют ферменты одного биосинтетического пути и транс­крибируются на общую молекулу м-РНК. Такая м-РНК называется полицистронной. Группа структурных генов прокариот, находя­щихся под контролем одного регуляторного участка, называется опероном (Miller, Reznikoff, 1978).

Организация по типу оперона позволяет бактериям быстро пе­реключать метаболизм с одного субстрата на другой. Бактерии не синтезируют ферменты определенного метаболического пути в от­сутствие необходимого субстрата, но способны в любой момент на­чать их синтез при появлении этого субстрата.

Только некоторые гены бактерий транскрибируются индивиду­ально. Их м-РНК называется моноцистронной. Большинство ге­нов бактерий представлены непрерывными участками ДНК, вся ин­формация которой используется при синтезе полипептида. Между генами прокариот могут располагаться межгенные участки — спей-серы. Внутри оперона спейсеров не бывает.

 

Организация генома эукариот.

В геноме эукариот выделяют три типа последовательностей ДНК. Это уникальные последовательности, представленные одной или несколькими копиями (60—80 % генома); умеренные повторы, представленные от десятка до нескольких тысяч копий на геном (10—20 % генома); высокоповторяющаяся ДНК, представленная от нескольких тысяч до миллиона копий на геном (10—20 % генома). Иногда выделяют 4 типа последовательностей (Айяла, Кайгер, 1988).

Наличие повторяющихся последовательностей ДНК, т. е. при­сутствующих в количестве нескольких копий, является удивитель­ной особенностью генома эукариот.

Большинство функционирующих генов являются уникальными последовательностями, некоторые представлены умеренными пов­торами. Высокоповторная ДНК представлена обычно очень корот-1 кими последовательностями (около 300 п. н.). Она, вероятно, игра­ет структурную или регуляторную роль и локализована в основном в прицентромерном гетерохроматине.

Сенсационным открытием яяилягь показанная в 1977 г Р. Ро-' бертсом и Ф. Шарпом прерывистая, «мозаичная», экзон-интронная j структура большинства эукариотических генов (Brown, 1981).

Экзоны — участки гена, кодирующие структуру полипептида, интроны — участки гена, не кодирующие структуру полипептида. Количество интрон-экзонных переходов в пределах гена может ва­рьироваться от 0 до 50. Колебание размеров более характерно для интронов (от 20 до более чем 10 000 п. н.). Термины «экзон» и «интрон» были предложены У. Гилбертом (Gilbert, 1981).

Для некоторых эукариотических генов экзоны составляют лишь незначительную часть их длины. Роль интронов до конца не ясна. Вероятно, они участвуют в процессах генетической рекомбинации, а также в процессах регуляции экспрессии.

Дальнейшие исследования в сфере молекулярной биологии еще больше осложнили четкость определения понятия «ген». В геноме эукариот были обнаружены обширные регуляторные области. От­носить ли к гену окружающие его регуляторные области или оста­вить в понятии «ген» только участок транскрипции — здесь мнения генетиков разделились. Проблема осложняется тем, что регулятор­ные области могут лежать за пределами единиц транскрипции на расстоянии в десятки тысяг п. н.

В регуляторной части генома выделяют различные участки.

Промотор — участок (30—60 п. н.) связывания с ДНК факторов транскрипции, образования комплекса ДНК-РНК-полимеразы для запуска синтеза РНК.

Энхансеры — усилители транскрипции.

Сайленсеры — ослабители транскрипции.

Между энхансерами и сайленсерами нет четкого «разделения труда», поскольку обычно они взаимодействуют со многими генами. Одна и та же последовательность ДНК может выступать и в роли эн-хансера, и в роли сайленсера в зависимости от типа клеток. Эти по­следовательности представляют собой короткие участки ДНК (100—200 п. н.), являющиеся местом прикрепления регуляторных белков. Каждый энхансер или сайленсер может взаимодействовать с целым рядом регуляторных белков. Это изменяет активность генов путем изменения конформации определенного участка ДНК.

Инсуляторы — короткие последовательности (300—1000 п. н.), обеспечивающие относительную независимость функций гена, бло­кируя взаимодействие между энхансером и промотором.

В последних моделях структурно-функциональной организации генома предполагается, что ДНК-нуклеосомная нить образует функ­циональные специфические участки — домены, которые представ­ляют собой петли (обычно размером 20 000—80 000 п. н.), прикреп­ленные к структурам ядерного матрикса.

В этих моделях инсуляторам отводится важная роль, во многом определяющая Функционирование домена, который, вероятно, представляет собой единую функциональную единицу, возможно один ген.

Вопросы:

1. Особенности организации генома прокариот?

2. Особенности организации генов эукариот?

3. Понятие о гене

ТОО «Есикский медицинский колледж» г.Есик