Організація генетичного матеріалу : загальні принципи Функціональні відділи генома Гени і їх структура

Власне інформація про структуру білків і РНК записана в ділянках ДНК, називається генами і цистронами.

Ген - це ділянка ДНК, що кодує один білок.

Цистрон — ділянка ДНК, яка кодуює один поліпептидний ланцюг.

Таким чином, якщо білок складається з декількох різних поліпептидних ланцюгів (субодиниць), то його ген включає декілька цистронів.

Проте таке поділ властивий, в основному, для бактерій, де цистрони одного гена, зазвичай, слідують на ДНК один за одним.

У тварин же і людини цистрони нерідко розташовуються в різних хромосомах і зазвичай теж називаються генами: наприклад, ген α - ланцюга і ген β - ланцюга гемоглобіна.

Окрім генів усіх білків організму, в хромосомах є також гени РНК - чотирьох видів рибосомних РНК і декількох десятків транспортних РНК.

Загальна сукупність генів, що визначають спадкову інформацію організму, називається геномом.

Всього в геномі бактерій (конкретно - кишкової палочки) - близько 2500 цистронів. У хромосомах людини число генів, за останніми даними, складає близько 30 000.

Майже усі гени еукаріот (на відміну від генів прокаріот) мають характерну особливість: містять не лише кодуючі ділянки - екзони, але і некодуючі інтрони.

Екзони і інтрони перемішані один з одним, що надає гену як би "розірвану" структуру.

Число інтронів в гені варіює від 2 до декількох десятків; у гені міозина їх близько 50. Іноді на інтрони припадає до 90% загальної довжини гена.

Можливо, така организація генів пояснюється тим, що в еволюції вони утворилися з різних фрагментів ДНК (відповідних теперішнім екзонам), які з'єдналися, хоча і не повністю, в єдині функціональні елементи.

Між генами також знаходяться ті, що не кодують послідовності – спейсери. Незважаючи на загальну назву, функціональна роль їх може бути абсолютно різною.

а) Більшість спейсерних ділянок, мабуть, виконують структурную роль:

• беруть участь в правильному укладанні нуклеосомного ланцюга у вищі структури хроматину.

• в прикріпленні хромосом до апарату центріолей і т. д.

б) Інші некодуючі ділянки ДНК служать специфічними локусами зв'язування певних білків :

• функціонуючих на ДНК ферментів (ДНК-полімеразного комплексу та ін.)

• білків, що виконують регуляторну функцію.

При цьому ділянки зв'язування РНК-полімерази (фермента, що синтезує РНК на ДНК) називаються промоторами. Вони або впритул примикають на початок гена (чи групи генів), або відокремлені від гена якими-небудь іншими функціональними локусами.

Характерний компонент промоторів у кишкової палочки - т. з. бокс (послідовність) Прибнова

(5´) -ТАТААТ-(3´)

(3´) -АТАТТА-(5´).

Він знаходиться за 15 н. п. від стартової точки транскрипції. Загальна ж протяжність промотора декілька десятків н. п.

У разі еукаріот промотор - складніше поняття, поскільку РНК-полімераза зв'язується з ДНК не безпосередньо, а лише разом з комплексом інших білків - т. з. загальних чинників транскрипції.

У промоторі еукаріот розрізняють невелику область ініціації, ТАТА-бокс (схожий з боксом Прибнова у бактерій) і ряд інших типових ділянок.

в) Що стосується ділянок зв'язування регуляторних білків, то у бактерій їх називають операторами. Вони розташовуються після промотора.

За певних умов з оператором зв'язується специфічний білок-репресор, і це блокує "читання" РНК-полімеразою відповідної групи генів.

У еукаріот (включаючи людину) регуляцію "прочитання" генів здійснюють не лише білки-репресори, але і білки-активатори - т. з. чинники транскрипцій (транскрипційні фактори).

До останніх відносяться вже згадувані загальні чинники транскрипції, необхідні для зв'язування РНК полімерази з промотором. Ці чинники є в усіх клітинах і необходні для "читання" будь-якого функціонуючого гена.

Інші чинники транскрипцій підвищують активність тільки певних генів, і локуси ДНК, зв'язуючи такі чинники, називаються енхансерами.

Енхансери можуть розташовуватися досить далеко від регульованого гена : на відстані декількох тисяч нуклеотидних пар. Як же зв'язування з ними транскрипційних факторів може стимулювати активність гена?

Мабуть, справа в складній просторовій організації ДНК. Остання утворює петлі, завдяки чому енхансери зближуються з промоторною зоною і пов'язані з ними чинники впливають на активність комплексу транскрипції.

Причому, для деяких ключових генів в клітині є відразу декілька енхансерів, досить віддалених один від одного. Отже, усі вони в результаті вигинів ДНК повинні збиратися приблизно в одному місці простору.

Неважко побачити, що ситуація дуже нагадує формування активного центру в молекулі ферменту. Там теж амінокислотні залишки, що утворюють цей центр, розташовані в різних ділянках поліпептидного ланцюга і збираються разом лише при формуванні третинної структури.

Що ж до білков-репресорів, то вони при входженні в склад транскрипційних комплексів не підвищують, а понижують їх активність.

Відмітимо: часто використовується також термін "супресори" - так називаються чинники (звичайно це білки), які пригноблюють той або інший клітинний процес. Наприклад, пухлинні супресори - регуляторні білки, що перешкоджають пухлинному росту. Очевидно, по механізму своєї дії вони можуть бути як репресорами, так і чинниками транскрипцій.

г) Нарешті, в ДНК можуть міститися короткі локуси, які є сигналами про закінчення (термінації) транскрипції ДНК.

У бактерій у ряді випадків ділянки з такою функцією знаходяться перед групою спільно регульованих генів. Це т. з. атенюатори.

Термінуючі ділянки, що розташовуються після генів, називаються термінаторами.

У одних умовах транскрипція припиняється на атенюаторі (гени не прочитуються), в інших умовах - на термінаторі (гени прочитуються).

У еукаріот сигнали термінації складніші: на відміну від бактеріальних, вони теж транскрибуються РНК-полімеразою, і тільки тоді остання завершує свою роботу.