Строение гена эукариот.
В общих чертах строение гена про- и эукариот в принципе одинаково. Ген эукариот так же как и у прокариот функционирует только совместно с регуляторными зонами. Но такой тандем у эукариот не называется опероном. Ген эукариот представляет собой в основном кодирующую часть ДНК, а регуляторные зоны – не кодирующую ДНК.
Ген (кодирующая часть) состоит из:
а. Экзонов.
б. Интронов.
Регуляторные участки гена содержат:
а. Стартовый кодон – сайт (место) начала транскрипции.
б. Терминатор – сайт окончания транскрипции.
в. Лидерную последовательность.
г. Трейлерную последовательность.
д. Промотор.
е. Контролирующие зоны располагаются вблизи от обслуживаемого гена.
ж. Модуляторы (энхансеры, сайленсеры) – располагаются вдали от гена.
Некоторые исследователи объединяют контролирующую зону и модуляторы в одну область – регуляторную область.
Отличия кодирующей части гена эукариот от прокариот:
1. Как правило, кодирующая область представлена не несколькими генами, а одним. Каждый ген у эукариот имеет свою регуляторную область.
2. Если в генах прокариот не кодирующие участки практически отсутствуют, то ген эукариот имеет мозаичное строение – в нём чередуются участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке и не несущие её. Участки, несущие информацию носят название экзоны, не несущие называются интроны. Число интронов у различных организмов различно.
Кодирующая часть гена представляет единицу транскрипции.
Регуляторные области – это участки ДНК на которых осаждаются белки-регуляторы. Их функция – регуляция транскрипции. 2 типа:
а. Зоны располагающиеся близко от гена, который они контролируют - контролирующие зоны.
б. Зоны располагающиеся далеко от контролируемого гена - модуляторы.
Гены-регуляторы – это обычные структурные гены, кодирующие иРНК, несущую информацию о строении какого-либо белка-регулятора. Некоторые из этих генов транскрибируют специальные регуляторные РНК.
Рассмотрим строение регуляторных областей. Их несколько. На 5’- конце гена располагается сайт начала транскрипции. На 3’- конце располагается сайт окончания транскрипции (терминатор). Перед сайтом начала транскрипции, также как и у прокариот, располагается лидерная последовательность, а перед сайтом окончания транскрипции находится трейлерная последовательность. Функциональное значение этих участков аналогично таким же участкам у прокариот (см. выше). Если у прокариот транскрипцию всех генов осуществляла один фермент РНК- полимераза, то у эукариот существуют три типа РНК-полимераз, которые обеспечивают транскрипцию разных эукариотических генов (генов транскрибирующих иРНК, тРНК и рРНК). У большинства генов эукариот, как и у прокариот, эти ферменты связываются с участком,
э и э и э и э
5’
3’
Трейлерная последовательность
Лидерная последовательность
Сайт конца транскрипции
Сайт начала транскрипции
Рис. 21. Схема кодирующей области гена эукариот (э – экзоны, и – интроны) .
расположенным на 5’- конце ДНК перед сайтом инициации. Этот участок носит название промотор. Прежде чем связаться с промотором РНК-полимераза эукариот соединяется с многочисленными белками (их около 50), которые способствуют её прикреплению к промотору. Эти белки называются факторами транскрипции, а образовавшийся комплекс РНК-полимеразы с факторами транскрипции именуется комплекс транскрипции (или транскрипционный комплекс). Факторы транскрипции активируют РНК-полимеразу и кодируются регуляторными генами.
Образование комплекса транскрипции и его активность в свою очередь контролируют ещё два типа белков-регуляторов (=> всего 3 типа). Первый тип белков осаждается на регуляторные (зоны) последовательности ДНК, которые располагаются, как правило, рядом с промотором. Эти белки ускоряют или тормозят образование транскрипционного комплекса. К контролирующим (регуляторным, рядом располагающимся) зонам присоединяются различные регуляторные белки, которые влияют на начальное связывание РНК-полимеразы с промотором. Эти белки - факторы транскрипции.
Второй тип регуляторных последовательностей усиливает или тормозит движение транскрипционного комплекса по гену. У эукариот эти участки часто расположены далеко от контролируемого ими гена.
Рядом располагающиеся контролирующие зоны
Лидирующая область
Промотор
Кодирующая область
Модуляторы Сайт инициации
Контролирующие области
Рис. 22. Схема возможного расположения кодирующей части гена и промотора.
Как правило, на этих областях, также как и на контролирующих зонах, осаждаются регуляторные белки усиливающие или замедляющие транскрипцию. Эти регуляторные последовательности настолько разнообразны по строению, положению и функциям, что для большинства из них пока не найдено название. В последнее время некоторые учёные называют их модуляторы. К модуляторам относят энхансеры (усиливают транскрипцию с некоторых эукариотических промоторов) и сайленсеры (обладают противоположным действием по отношению к энхансерам).
Предполагается, что их регулирующий эффект связан со сближением модуляторов с транскрипционным комплексом в результате изгиба молекулы ДНК.
Итого 3 типа белков-регуляторов:
Белки, соединяющиеся с РНК-полимеразой.
Белки, соединяющиеся с ДНК контролирующей зоны.
Белки, соединяющиеся с ДНК модуляторов.
14-15. Транскрипция у про- и эукариот.
Транскрипция - первый этап экспрессии генов и заключается в синтезе РНК на одной нити ДНК ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой (РНК-полимеразой).
Периоды транскрипции.
а. Инициация.
Инициация – это подготовительный этап. 2 процесса:
1. Формирование инициаторного комплекса.
2. Образование «транскрипционного глазка».
У про- и эукариот формирование инициаторного комплекса происходит на промоторе. Сама РНК-полимераза, как правило, не может связаться с промотором. Поэтому вначале специальный белок взаимодействует со специфической областью на промоторе. В этой области располагается определённая последовательность нуклеотидов. Она различна у про- и эукариот. У прокариот эта последовательность носит название бокс Прибнова. У эукариот в специфической области промотора довольно часто встречается следующая последовательность нуклеотидов – ТАТА. Отсюда и название этого участка промотора – ТАТА-бокс. К специальному белку, осевшему на промоторе, присоединяется РНК-полимераза и целый ряд других белков, которые участвуют в подготовке синтеза РНК. Т. обр. на первом этапе на промоторе формируется сложный комплекс, который состоит специального белка осевшего на промотор, РНК-полимеразы и нескольких белков (у эукариот их больше), которые носят название транскрипционные факторы (ТФ). Совокупность состоящая из специального белка, транскрипционных факторов и РНК-полимеразы носит название инициаторный комплекс. После его образования начинается формирование вилки транскрипции. Ферменты комплекса (ТФ1,ТФ2 и др.) раскручивают спираль ДНК, разрывают водородные связи между нитями. Нити расходятся. В результате формируется транскрипционный «глазок» с вилкой транскрипции. Разошедшие нити этой вилки прочно фиксируются специальными белками (SSB), которые могут не входить в инициаторный комплекс (рис. 54).
Транскрипционный «глазок»
Белки фиксирующие
разошедшие нити
5’ Смысловая нить 3’
3’ М
атричная
нить
5’
5’
РНК-полимераза и
РНК белки
(У прокариот инициаторный комплекс, состоит примерно из пяти субъединиц-полипептидов и называется голофермент (холофермент). В комплексе имеется сигма-субъединица (СС) или сигма-фактор. Это не постоянная единица комплекса. Она может выходить из комплекса, тогда комплекс называется кор-фермент и вновь входить в него. Функция СС заключается в том, что он первый связывается с промотором, затем к нему присоединяется кор-фермент. Без СС кор-фермент практически не взаимодействует с промотором (или взаимодействует очень слабо). Другая функция СС заключается в том, что этот белок приводит к стойким изменениям в структуре других полипептидов комплекса, в результате чего голофермент приобретает способность раскручивать спираль ДНК, разрывать водородные связи между нитями ДНК т.е.формировать вилку транскрипции. СС находится в голоферменте только на этапе инициации. Обеспечив связывание комплекса с промотором, она через некоторое время после начала транскрипции покидает комплекс и присоединяется к новым кор-ферментам (см. далее)). – вдруг пригодится, не рискнула удалять.
+ =
Транскрипционный комплекс
Сигма- субъединица
Кор-фермент
Рис. 55. РНК-полимераза в зависимости от присоединения к ней сигма субъединицы будет иметь различную структуру и функцию.
(У эукариот инициаторный комплекс более сложный, чем у прокариот. Помимо фермента РНК-полимеразы в него входят более 10 полипептидных субъединиц. У них различная функция. Часть из них, также как и СС прокариот, связываются с промотором. Затем на них осаждается РНК-полимераза. Другие субъединицы участвуют в формировании вилки транскрипции и т.д.)
После образования транскрипционного глазка начинается следующий этап синтеза РНК – элонгация.
б. Элонгация.
Чаще всего начинается с присоединения к транскрипционному комплексу специальных белков – факторов элонгации, которые запускают процесс синтеза РНК. Точка на ДНК, где начинается синтез РНК, называется стартовой точкой.
РНК-полимераза вместе с белками двигается по нити ДНК последовательно раскручивая спираль ДНК. После синтеза РНК нити ДНК вновь конденсируются. Деконденсированной (свободной) в транскрипционном глазке находится нить ДНК протяженностью около 20 нуклеотидов. Синтез молекулы РНК идёт от 5’ конца синтезированной РНК к 3’ её концу. Т.е. при репликации (синтез ДНК) и при транскрипции наращивание новых нуклеотидов идёт с 3’ конца синтезируемой цепи ДНК или РНК. Нить ДНК, на которой синтезируется РНК, называется плюс (+) нитью, кодогенной, антисмысловой, матричной цепью (рис. 56).
РНК-полимераза Вилка
транскрипции Терминатор
Б
елок
Направление синтеза
Промотор
5’ конец РНК 3’ конец РНК
Рис. 56. Элонгация.
(Как правило, у прокариот для всех генов одной хромосомы матричной является одна и та же цепь ДНК. У эукариот матричными могут быть обе нити ДНК.)
в. Терминация.
В зоне терминатора располагаются специальные элементы, которые останавливают транскрипцию. Назовём только наиболее исследованные. Их три.
1. В зоне терминации располагается область богатая ГЦ парами.
Химические связи этих нуклеотидов с комплементарными нуклеотидами в транскрипте существенно слабее , чем связи АТ. Это облегчает отрыв синтезированной РНК от ДНК.
2. В терминаторе имеются «шпильки ДНК».
Это два участка молекулы ДНК, следующие друг за другом, имеющие одинаковую последовательность нуклеотидов, но расположенные в противоположной (обратной) ориентации. Такое расположение нуклеотидов в ДНК терминатора приводит к тому, что при их считывании на РНК образуются участки с комплементарными последовательностями нуклеотидов. Последние соединяются между собой и формируют, фигуру, которая носит название «шпилька».
3. Бессмысленные (нонсенс) кодоны. Они не кодируют никакую аминокислоту. Предполагают, что опознав их РНК-полимераза прекращает синтез РНК.
Последовательность нуклеотидов в ДНК, которая находится между стартовой точкой и терминатором называется единицей транскрипции
Формирующаяся РНК на нити ДНК носит название транскрипт или РНК-транскрипт.
КАК ДОПОЛНЕНИЕ ХЗ НУЖНО ИЛИ НЕТ НА ВСЯКИЙ ПОЖАРНЫЙ ПРОЧТИ ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ (просто неурезанный кусок семеновской лекции, знаешь – пропускай.)