1.2. Основные свойства гена

Ген характеризуется дискретностью действия, то есть, определяет развитие одного признака данного организма.

Ген - специфичен, то есть, кодирует информацию определенного полипептида. Однако, в некоторых случаях один ген может принимать участие в синтезе разных полипептидов в случае перекрывания генов у прокариот и фагов, а также при альтернативном сплайсинге.

Ген - плейотропен, то есть, один ген принимает участие в развитии разных признаков, а, именно, продукт действия гена – полипептид катали- зирует разные биохимические процессы, приводящие к формированию разных и сложных признаков. Например, от белка  продукта гена А зависит активизация гена В, а от него - генов Д и С, а продукт гена С обеспечивает реакцию гена Е.

Д

А В

С Е

Мутация ген А приводит к выключению всех последующих процессов.

Ген характеризуется дозированностью действия, то есть, зависи- мостью дозы аллеля этого гена и результатом его экспрессии. Например, ген НbS. Он определяет развитие измененной структуры -цепи гемоглобина, приводящего к нарушению формы эритроцитов (серповидноклеточная анемия) и, следовательно, его транспортных свойств. У носителей двойной дозы (HbSHbS) этого гена развивается грубое нарушение формы эритроци- тов и клинически выражается анемией вплоть до летального исхода. У носителей одной дозы (HbAHbS) этого аллеля при втором нормальном аллеле (HbA) форма эритроцита изменяется незначительно и анемия не развивается или выражена слабо.

1.3. Отделы ДНК

Гены составляют только определенную часть молекулы ДНК. Между генами находятся последовательности некодирующие аминокислоты - спейсеры. Под термином спейсеры объединяются последовательности ДНК, выполняющие разные функции:

 - спейсерные участки ДНК, выполняющие структурную функ -цию. Сюда относятся:

а) участки ДНК, с которыми связываются гистоновые белки нуклеосомной цепи в хроматине, ДНК-связывающиеся белки и др., участвующие в правильной укладке нуклеосомной цепи в высшие струк- туры хроматина.

б) участки ДНК, участвующие в прикреплении хромосом к аппарату центриолей; фиксации хроматина в ядерном матриксе (MAR- и SAR- последовательности, участвующие в образовании петельной структу- ры хроматина) и др.

 - спейсерные участки ДНК, которые служат специфическими локусами связывания:

а) определенных белков, ферментов функционирующих на ДНК, а именно, ферментный комплекс репликации ДНК (хеликаза, SSB-белок, топоизомеразы, ДНК-полимеразы, белок PСNA, и др.) и ферментный комплекс транскрипции ДНК (РНК-полимеразы).

б) регуляторных белков, контролирующих транскрипцию ДНК.

Участки ДНК, связывающие РНК-полимеразы (ферменты, синтезирующие молекулы РНК на матрице ДНК в процессе транскрипции) называются промоторы. Они находятся либо рядом с геном (или группой генов), либо отделены от гена другими локусами ДНК. Промоторы являются определенными последовательности нуклеотидов ДНК, которые узнаются РНК-полимеразой. Транскрипция гена может начаться только после связывания РНК-полимеразы с промотором ДНК (подробнее о промоторах смотрите «Транскрипция ДНК»).

Регуляторные белки, контролирующие транскрипцию ДНК, связываются с определенными локусами ДНК и обеспечивают либо ее активацию (экспрессию), либо подавление (репрессию).

У прокариот участки связывания с такими белками называются операторы. Располагаются операторы между промотором и геном. Регуляторные белки, взаимодействуя с оператором, включают (активируют) или выключают (репрессирует) транскрипцию гена.

У эукариот регуляторные гены, связываясь с определенными локуса- ми ДНК, обеспечивают активацию транскрипции гена, усиление ее скорос- ти или ее репрессию. РНК-полимераза у эукариот не может инициировать (начинать) транскрипцию самостоятельно. Для ее активации необходимы белки-регуляторы, которые называются факторами транскрипции (любой белок, кроме РНК-полимеразы). Различают общие и специфические факторы транскрипции.

Общие факторы транскрипции необходимы для инициации транскрипции на промоторах всех генов, имеющихся в клетке, то есть, они являются факторами транскрипции необходимыми для активации любых генов клетки. Вместе с РНК-полимеразой  они образуют комплексы бел- ков, насчитывающие до 50 белков и называемые транскриптосомами. Общие факторы транскрипции связываются с участком ДНК, лежащим перед промотором и называющимся предпромоторным элементом.

Специфические факторы транскрипции – это регуляторные белки, способные активизировать процесс транскрипции ДНК, связываясь с участками ДНК, имеющими особые последовательности. Эти последова- тельности называются энхансеры (лат. enchance - усиливать); размер их состоит из 10-20 пар нуклеотидов. Присоединение к ним регуляторных белков усиливает транскрипцию гена в сотни раз. Мутации в пределах энхансера приводят к значительному замедлению транскрипции. Располагаются энхансеры в разных частях молекулы ДНК:

1 – чаще всего на значительном расстоянии от промотора;

2 – находятся как на 5'- , так и на 3' – концах молекулы ДНК (то есть, по обе стороны промотора);

3 – могут входить в состав интронов.

Для регуляции активности гена энхансер и промоторы гена должны сблизиться, для чего участок ДНК между энхансером и промотором образует петлю (рис.5).

Рис.5. Схема взаимодействие энхансера с факторами транскрипции (Из:Иванов, 2006).

Специальные факторы транскрипции, связанные с энхансером, взаимо- действуют с общими факторами транскрипции или с РНК-полимеразами, обеспечивая таким образом, усиление транскрип- ции. Часто регуляторные белки, связывающиеся с участками ДНК, имеют особые последовательности аминокислот (мотивы), позволяющие им связываться с молекулой ДНК. Это особые домены стероидных гормонов, гомеодомены белков, регулирующих эмбриональное развитие, белки с мотивами «спираль-поворот-спираль», «спираль-петля-спираль», «лейциновая застежка», «цинковые пальцы» (см. ниже).

Энхансеры обладают следующими свойствами:

1 – расположены в разных участках ДНК;

2 – активируют гены независимо от своей ориентации по отношению к молекуле ДНК;

3 – один энхансер может активировать разные гены;

4 – действие энхансеров может быть ткане - и видоспецифичным; каждый ген в клетках тканей и органов имеет свой энхансер, который

регулирует его активность;

5 – энхансеры доступны действию различных белков.

Взаимодействие энхансера со своим промотором находится под контролем особых последовательностей - ДНК-инсуляторов (англ. insu- late - изолировать), которые разграничивают соседние гены, не позволяя взаимодействовать энхансеру с неподходящим промотором, таким образом, что энхансеры могут образовывать петлю только в границах между двумя инсуляторами (рис.6). Подробно изучены инсуляторы системы глобино- вых белков человека, ретротранспозона дурзу и другие.

улев,

Рис.6. ДНК-инсуляторы (Из: Жимулев, 2007 )

В противоположность энхансерам молекула ДНК имеет участки, которые ослабляют транскрипцию, репрессируя активность гена. Акие участки называются сайленсеры.

 - спейсерные участки ДНК, служащие сигналами окончания транскрипции. К ним относятся аттенюаторы и терминаторы. Аттенюа- торы встречаются только у прокариот и находятся между оператором и генами. Если транскрипция оканчивается на аттенюаторе, то ген не считывается. Терминаторы – это участки ДНК богатые ГЦ-парами; находят- ся после генов и заканчивают транскрипцию по завершению считывания гена.