12

1. Введение.

Исследование структуры гена и его экспрессия в настоящее время являются одним из главных направлений в современной генетике. Но, как это часто бывает при стремительном развитии какой-либо научной отрасли, громадный поток полученных фактов не сразу осмысливается, выявленные противоречия не сразу разрешаются, а введённая терминология не сразу признаётся. Одно и то же явление подчас имеет столько различных названий, что по ним без труда можно определить число исследователей изучавших данный феномен. Примерно такое положение складывается сейчас в направлении, которое выясняет структуру и функцию отдельного гена и генома живых существ.

Существует множество определений гена, но ни одно из них полностью не удовлетворяет всех учёных. Мы будем придерживаться определения, которое дал Сингер М. и Берг П. в книге «Гены и геномы» (1998). Формулируется оно следующим образом. «Ген это – совокупность сегментов ДНК, обуславливающих образование либо молекулы РНК, либо белкового продукта». В этом определении, прежде всего, однозначно подчёркнуто, что ген это не один непрерывный отрезок ДНК, а совокупность нескольких сегментов (отрезков) ДНК. И, во-вторых, ген несёт информацию не только о строении полипептида, но и о строении какой-либо РНК. В этом случае он может не содержать информацию о строении белка.

Сейчас мы можем реально оценить функцию почти 90% генов в организме человека, (см. рис.15 и рис. 16). Оказалось, что самое большое число генов необходимо для производства клеточного материала и для производства энергии в клетки. Для клеточного воспроизводства необходимо около 5% генов. В формировании

Производство клеточных материалов
Производство энергии и её использование
Коммуникации внутри и вне клеток
Защита клеток от инфекций и повреждений
Клеточные структуры и движение
Воспроизводство клеток

0 5 10 15 20 25 в %

Рис. 15. Примерное распределение генов человека по их функциям.

Кожа (около 700)

Мозг (более 3000) Глаз (более 500)

Лёгкие (около 2000) Сердце (более 1200)

Кишечник (около 1500) Печень (более 2000)

Матка (около 2000) Семенники (около 400)

Белая клетка крови Эритроцит (8)

(более 2000)

Рис. 16. Количество генов, определяющих развитие и функционирование некоторых органов и тканей человека.

и функционировании головного мозга необходимо более 3000 генов, на работу печени и клеток крови более 2000 генов. Для создания эритроцитов необходима экспрессия 8 генов. Нормальную работы лёгких, кишечника и сердца контролируют примерно одинаковое число генов.

2. Классификация генов

Существует несколько классификаций генов. Приведём две классификации, которыми пользуется большинство учёных.

а. Одна из них постулирует наличие в клетке двух типов генов.

1. Конститутивные гены.

2. Гены «роскоши».

Гены общеклеточных функций (их ещё называют конститутивные гены или гены «домашнего хозяйства) постоянно находятся в активном состоянии. Их активность в малой степени зависти от состояния внешней среды (организма), т.е. практически не регулируется. Эти гены кодируют белки-ферменты, которые принимают участие в жизненно важных для клетки метаболических процессах. Например, таких как гликолиз, цепь передачи электронов, синтез ДНК, аминокислот и т.д. В сущности, эти гены полностью обеспечивают жизнедеятельность клетки.

Гены «роскоши» контролируют строго специализированные, специфические функции клетки. Поскольку клетка является составной частью сложного организма, а это уже более высокий уровень организации живого, чем клетка. На организменном уровне имеются собственные системы жизнеобеспечения, развития, размножения, дыхания и т.д. Поэтому любая клетка организма должна поддерживать не только свои жизненные потенции (которые обеспечивают Гены «домашнего хозяйства»), но и принимать участие в жизнедеятельности всего организма. Последним и занимаются специализированные гены. Эти гены контролируют белки, которые обеспечивают функционирование физиологических систем организма – его защитных свойств, процессов дыхания, выделения, кровоснабжения, пищеварения и т.д.). К таким генам относятся гены, контролирующие синтез гемоглобина, иммуноглобулина и др. В отличии от генов «домашнего хозяйства» «гены роскоши» находятся под жёстким контролем организма и имеют сложный аппарат регуляции.

б. Другая классификация генов предусматривает наличие двух типов генов:

1. Структурные гены.

2. Регуляторные гены.

Оба типа генов транскрибируют различные типы РНК.

Структурные гены Все структурные гены транскрибируют несколько видов РНК – иРНК, тРНК, рРНК и т.д. В зависимости от типа синтезируемых (или транскрибируемых) на них РНК они подразделяются на:

1. Гены, на которых синтезируется иРНК. Таких генов около 30 тысяч. Именно эти гены несут информацию о последовательности аминокислот в полипептиде. Многие из них уникальные. Однако есть гены имеющие копии. Как правило, число копий не превышает двух.

2. Гены, с которых транскрибируется тРНК. Эти гены не несут информацию о структуре белка. Их функция заключается в синтезе достаточного количества тРНК способных обеспечить транспорт аминокислот в рибосомы для синтеза белка. Число индивидуальных тРНК – около 50. Столько же и типов генов, кодирующих тРНК. Однако, общее число генов тРНК значительно больше. Это связано с тем, что каждый ген, кодирующий тРНК, представлен не в одном экземпляре, а повторяется множество число раз.

3. Гены, с которых транскрибируются рРНК. Эти гены, также как и предыдущие, не кодируют структуру полипептида, а синтезируют несколько разновидностей РНК (на генах эукариот синтезируется три разновидности РНК). Однако число генов, кодирующих рРНК, намного больше трёх. Как и в предыдущем случае, это связано с высокой повторяемостью каждого типа гена.

Все три типа гена объединяет одно – все они являются активными участниками синтеза белка.

В настоящее время в геноме человека насчитывается примерно 30 тысяч структурных генов. Длина всей ДНК в клетке человека примерно 1,5 метра, ДНК всех генов в ней занимает всего 3 - 10 % . Некоторые авторы сравнивают гены с островками в безбрежном океане ДНК. Некоторое представление о расположении генов в небольшом отрезке молекулы ДНК из хромосомы даёт рисунок 17.

Гены

• •• • •

Не информативные участки ДНК

Рис. 17. Схематичное расположение структурных генов в отрезке молекулы ДНК хромосомы.

Регуляторные гены.

В одну группу эти гены объединяет то, что они регулируют активность структурных генов. В настоящее время пока не имеется признанной всеми (или большинством) исследователей классификации этих генов. Наиболее простая классификация подразделяет все известные регуляторные гены на два типа:

1. Гены, с которых транскрибируются регуляторные РНК. Они не принимают непосредственного участия в синтезе белка, а регулируют отдельные стороны этого процесса (транскрипцию, процессинг и т.д.). Так, например, относительно недавно открыт новый класс регуляторных РНК, которые назвали – малые ядерные РНК (мяРНК). Эти РНК имеют небольшой молекулярный вес. Их несколько десятков, но и с каждым годом открываются новые. Удивительным оказалось то, что

мяРНК обладают ферментативной активностью и принимают участие в разнообразных генетических процессах, например в процессе созревания РНК. Как ферменты они получили название – рибозимы. Т.обр. эта группа генов несёт информацию о рибозимах.

Так выяснено, что РНК транскрибируемая с гена Н19 влияет на злокачественное перерождение клеток. А РНК синтезируемая на гене HFF участвует в метаболизме железа. В последнем случае интересно то, что РНК синтезируется одновременно на обоих нитях гена (на смысловой и антисмысловой). Рибозим, синтезированный на смысловой нити, регулирует синтез мРНК, которая транскрибируется с противоположной (антисмысловой) нити.

2. Гены, которые несут информацию о структуре регуляторного белка. На них транскрибируется иРНК. Этим они похожи на структурные гены. Однако, есть одно существенное отличие – на этих генах кодируется информация о регуляторном белке, который принимает участие в регуляции активности различных генетических процессов (транскрипции, трансляции, репликации, репарации и т.д.) протекающих в клетке. Эти белки способны взаимодействовать с регуляторными областями ДНК (например с оператором) или связываться с РНК- или ДНК-полимеразой. Белки носят различные название, например факторы транскрипции, трансляции, терминации и др.

В отличии от этого иРНК транскрибируемая на структурном гене контролирует синтез белка, который является участником клеточного метаболизма выступая в роли фермента, строительного белка, белка-переносчика и т.д. но никак не белка-регулятора.

В настоящее время некоторые исследователи в эту же группу относят участки ДНК, на которых осаждаются регуляторные белки.

Например, к таким генам они относят промотор (на нём осаждается РНК-полимераза), оператор (на нём осаждаются регуляторные белки), терминатор (в некоторых случаях на нём осаждается белки прекращающие синтез иРНК) и т.д.

Сразу же отметим, что последний тип генов не подходит под классификацию генов Сингера М. и Берга П. (1998). И вопрос, считать ли такие последовательности ДНК генами, остаётся открытым. Некоторые авторы относят такие последовательности к «регуляторным зонам». Мы так же будем придерживаться этого положения.