1.2.1. Информационная структура гена

Каждый ген эукариотической клетки состоит из двух частей из регуляторной области и кодирующей области. В регуляторной области гена расположены участки ДНК, отвечающие за эффективность использования информации, имеющейся в его кодирующей зоне, а в кодирующей области гена заложена информация о полипептидной цепи белка или о полинуклеотидной цепи «структурной» РНК. Регуляторная зона гена отделена от кодирующей зоны так называемой стартовой точкой, которая представляет собой дезоксирибонуклеотидный остаток, с которого начинается считывание информации при синтезе молекул РНК на том или ином структурном гене.

Участок регуляторной зоны гена, непосредственно прилегающей к стартовой точке, называется промотором. Именно к нему присоединяется фермент РНКполимераза, синтезирующий на данном гене молекулу РНК. В состав промотора входит около сотни пар нуклеотидов, причем наибольшее значение имеют два участка промотора. Один из них расположен на расстоянии 2530 пар нуклеотидов от стартовой точки и представлен последовательностью ТАТА, он так и называется ТАТАбокс. ТАТАбокс направляет РНКполимеразу к стартовой точке кодирующей зоны гена и, следовательно, определяет точность начала синтеза РНК. Удаление из промотора ТАТАбокса приводит к тому, что РНКполимераза начинает синтез РНК не с стартовой точки кодирующей области, а с какоголибо нуклеотидного остатка поблизости от нее, в результате синтезируется функционально неактивная молекула РНК.

В промоторах многих генов имеется второй участок так называемый СААТбокс, расположенный на расстоянии 60 100 пар нуклеотидов от стартовой точки. СААТбокс контролирует частоту, с которой РНКполимераза присоединяется к промотору данного гена и синтезирует на нем молекулы РНК. Если удалить СААТбокс, частота связывания РНКполимеразы с промотором этого гена падает на 80 90% и соответственно уменьшается количество синтезированной на этом гене РНК. В промоторах многих генов имеются и другие блоки нуклеотидов, играющие определенную роль в эффективности процесса считывания информации с кодирующей зоны гена.

В регуляции работы гена принимают участие последовательности ДНК, расположенные иногда на расстоянии сотен и даже тысяч пар нуклеотидов от соответствующего гена. Они могут или увеличивать, или уменьшать эффективность транскрипции соответствующего гена. Эти регуляторные элементы в зависимости от оказываемого ими эффекта называются «энхансерами» (ускорителями транскрипции) или «сайленсерами» (замедлителями транскрипции). Эти регуляторные элементы могут находится как на участках ДНК, предшествующих кодирующей области гена, так и после нее; более того, энхансеры обнаружены, например, в интронах некоторых генов.

Наконец, известен еще один тип регуляторных элементов, обеспечивающих адаптивную регуляцию транскрипции тех или иных генов. К ним относятся регуляторные участки, обеспечивающие изменение эффективности транскрипции генов в ответ на появление в клетке некоторых гормонов (например, стероидов или тироксина) или на поступление в клетку ионов тяжелых металлов (Cd2+,Zn2+), а также некоторых ядов (диоксин). Повидимому, некоторые из них действуют подобно энхансерам или сайленсерам. Так, принято считать, что регуляторный элемент, чувствительный к действию кортизола, функционирует как энхансер.

Все регуляторные элементы контролируют функционирование генов, взаимодействуя с специфическими белками. Таким образом, экспрессия любого гена оказывается под контролем сразу нескольких белков, чем достигается оптимальный для клеток уровень функционирования того или иного гена.

Характерной чертой генов эукариот является дискретный характер его кодирующей зоны, в которой участки, несущие генетическую информацию, разделены последовательностями, не несущими этой информации. Последовательности, несущие генетическую информацию, называются экзонами, а последовательности, не содержащие таковой, интронами.

Количество экзонов и интронов в различных генах колеблется в широких пределах. Так, в гене инсулина содержится 2 интрона, в гене сывороточного альбумина 14 интронов, а в гене тиреоглобулина 36 интронов. В целом на интроны приходится большая часть последовательностей кодирующей области того или иного гена. Например, в состав гена фермента каталазы входит 34 000 нуклеотидных остатков, тогда как в состав соответствующей мРНК лишь 1 600 нуклеотидных остатков, подавляющая часть остальных нуклеотидных остатков ( порядка 32 000) входят в состав 12 интронов, имеющихся в этом гене.

Функция интронов до настоящего времени точно не установлена. Существует лишь несколько более или менее вероятных предположений о их биологической роли. Согласно одному из них интроны служат для физического разделения экзонов, соответствующих функциональным доменам кодируемых белков с целью оптимизации процесса генетических перестроек, связанных с формированием новых белков. Отдельные экзоны могут вычленяться из гена за счет расщепления интронов и далее встраивается в кодирующую зону другого гена, следствием чего будет появление в клетке нового белка, содержащего по сравнению с предсуществующим белком дополнительный домен, способный придавать ему новые функциональные возможности. За счет действия подобного механизма могли бы ускоряться темпы эволюции живых систем. Согласно другой точке зрения интроны выполняют роль своего рода защитного буфера для нашей генетической системы: если интронные последовательности составляют преобладающую часть генома клеток, то именно они будут чаще всего принимать на себя воздействие различных физических и химических агентов, вызывающих те или иные структурные изменения в дезокрибонуклеотидных остатках ДНК, и эти изменения не будут сказываться на структуре кодируемых генами молекул белков или РНК.

Следует отметить, что в кодирующей зоне генов, ответственных за синтез белков, имеется два специфических регуляторных элемента. Вначале первого экзона сразу же за стартовой точкой имеется так называемый сайт ( участок ) кэпирования, являющийся необходимым элементом для последующего процессинга синтезируемой на гене молекулы РНК. В районе последнего экзона имеется мало изученная последовательность ( или последовательности ), обеспечивающая своевременное окончание синтеза РНК на данном гене. В последнем экзоне на расстоянии примерно 15 пар нуклеотидов от его конца имеется последовательность ААТААА, эта последовательность играет определенную роль в последующем формировании 3конца синтезируемой молекулы РНК.

Схема информационной структуры гена эукариот

1.3. Структура РНК

В клетках эукариот присутствует несколько классов РНК, играющих ту или иную роль в процессах реализации генетической информации:

1. Рибосомальные РНК ( рРНК ), их роль состоит в структурной организации рибосом внутриклеточных органелл, ответственных за сборку полипептидных цепей белков. Кроме того, рРНК, повидимому принимают непосредственное участие в работе самого механизма биосинтеза белка.

2. Информационная или матричная РНК ( мРНК ). Этот класс молекул РНК участвует в переносе генетической информации из ядра в цитозоль на рибосомы и принимает непосредственное участие в работе механизма синтеза полипептидных цепей белка на рибосомах.

3. Транспортная РНК ( тРНК ), она обеспечивает связывание аминокислот в цитозоле, перенос аминокислот на рибосомы, а также принимает непосредственное участие в синтезе полипептидных цепей белков на рибосомах.

4. Гетерогенная ядерная РНК ( гяРНК ). Молекулы этого класса РНК представляют собой так называемые первичные транскрипты с тех или иных структурных генов ДНК и являются высокомолекулярными предшественниками молекул РНК различных других классов.

5. Небольшие стабильные РНК. Они присутствуют в большом количестве и в цитозоле, и в ядре клеток эукариот. Среди них обычно выделяют так называемые малые ядерные РНК ( мяРНК ), последние принимают участие в регуляции работы генетического аппарата клеток, а также в преобразовании ( процессинге ) гетерогенных ядерных РНК в мРНК, тРНК и рРНК.

1.3.1.Первичная, вторичная и третичная структура РНК

Молекулы РНК представляют собой полимеры, мономерными единицами которых являются рибонуклеотиды, связанные между собой 3,5фосфодиэфирными связями. Углеводным компонентом рибонуклеотидов является рибоза, а основная масса азотистых оснований РНК представлены аденином, гуанином, цитозином и урацилом. Главными нуклеотидами РНК являются АМФ, ГМФ, ЦМФ и УМФ.

В состав молекул отдельных классов РНК может входить до 15 17% минорных нуклеотидов. Первичной структурой РНК называется последовательность расположения рибонуклеотидных остатков в полимерной цепи молекулы. Химическая структура молекулы РНК идентична таковой для одиночной цепи ДНК с учетом замены дезоксирибозы и тимина ДНК на рибозу и урацил в РНК. Полинуклеотидная цепь РНК, как и цепь ДНК, имеет направление: началом цепи РНК считается её 5'конец, окончанием цепи 3'конец. Количество рибонуклеотидных остатков в молекулах РНК различных классов колеблется от 7 8 десятков до нескольких тысяч, а молекулярная масса молекул РНК составляет от 25 тысяч (тРНК) до нескольких миллионов дальтон (рРНК).

Молекулы РНК представляют собой одиночные полинуклеотидные цепи, не имеющие на всем своем протяжении регулярной пространственной упаковки. Однако на отдельных участках молекулы РНК имеются элементы вторичной структуры, получившие название «шпилек». Они формируются за счет образования на отдельных участках полинуклеотидной цепи РНК петель, которые далее перекручиваются с образованием спирализованных структур:

Эти спирализованные участки цепи РНК имеют правую закрутку и по своим пространственным параметрам более всего напоминают Аформу ДНК. Стабилизируются эти структуры водородными связями между азотистыми основаниями нуклеотидных остатков антипараллельных участков цепи РНК, участвующих в формировании «шпильки». Однако полной комплементарности этих участков цепи РНК все же нет, поэтому спиральная структура имеет менее правильный характер, нежели вторичная структура ДНК. В стабилизации «шпилек», повидимому, принимает участие и стэкингвзаимодействие. Эти элементы вторичной структуры РНК жесткие и при дальнейшей пространственной упаковке молекулы, т.е. при формировании её третичной структуры, не перегибаются.

Третичная структура РНК это определенный способ укладки полинуклеотидной цепи РНК в определенном объеме пространства. За счет пластичности участков цепи, не принимающих участия в формировании «шпилек», молекулы РНК тем или иным образом компактизуются, формируя объемные структуры, присущие тому или иному классу РНК. Стабилизация таких структур осуществляется за счет электростатического и гидрофобного взаимодействий между элементами цепи РНК. Кроме того, в стабилизации третичной структуры РНК играет большую роль взаимодействие этих молекул с белками, в особенности это касается молекул РНК, имеющих большие по размерам полинуклеотидные цепи, как например, у молекул рибосомальных РНК.