Підручники з Біології / Біологія 9 клас / Шаламов Біологія 9 клас 2017

§ 26. Гени

Дати визначення поняття «ген» не просто

У попередніх параграфах ми розглянули, як інформація про будову ДНК послідовно реалізується в процесах транскрипції, а потім трансляції. Спочатку РНК-по- лімераза синтезує матричну РНК на молекулі ДНК, а потім рибосома синтезує білок, зчитуючи інформацію з матричної РНК. В еукаріотів одна матрична РНК зазвичай містить інформацію про будову цілого типу білкових молекул. Ця матрична РНК синтезується з особливої ділянки ДНК, що має назву ген.

Отже, інформація про послідовність амінокислотних залишків у молекулі білка закодована в особливій ділянці молекули ДНК — гені. Проте гени кодують не тільки матричні РНК. Транспортні РНК, рибосомальні РНК та інші типи РНК також кодуються своїми генами, однак ці РНК ніколи не піддаються трансляції, залишаючись назавжди РНК. Таким чином, ми можемо сформулювати ширше визначення гена:

ген — це ділянка ДНК, що кодує молекулу РНК1.

Розглянемо будову звичайного гена, що кодує матричну РНК тваринної клітини (рис. 26.1). Ген, як ми знаємо, є ділянкою дволанцюгової ДНК і лише один із ланцюгів кодує мРНК. Цей ланцюг називають антизмістовним. Послідовність нуклеотидів у ньому комплементарна матричній РНК, саме із цим ланцюгом працюватиме РНК-полімераза. Інший ланцюг ДНК за послідовністю нуклеотидів збігається з матричною РНК, що кодується геном. Цей ланцюг називають змістовним. При цьому один ланцюг ДНК може бути антизмістовним для одних генів і змістовним — для інших.

Тепер розглянемо, як розташовуються різні ділянки гена вздовж молекули ДНК. Ген починається з ділянки, що відповідає за зв’язування РНК-полімерази та початок транскрипції, — промотора. Слідом за промотором розташована ділянка гена, що кодує матричну РНК, — кодувальна частина гена. Як ви пам’ятаєте, у матричній РНК має бути старт-кодон. Такий само старт-кодон є й у гені. За ним розташована послідовність нуклеотидів, що кодує амінокислоти в білку. Урешті-решт,

ДНК

Рис. 26.1. Будова гена еукаріотів

1Проте навіть таке визначення недосконале. Під нього не підпадають, наприклад, гени вірусів із РНК-геномом. Також стало ясно, що часто в еукаріотів з одного гена синтезується кілька різних молекул РНК. У прокаріотів кілька генів можуть кодувати одну молекулу РНК, про що йтиметься в цьому параграфі. Хоча наше визначення поняття «ген» досить стисле, воно розкриває його суть.

141

кодуювальна ділянка закінчується стоп-кодоном1. Проте навіть після стоп-кодону транскрипція мусить якийсь час продовжуватися: молекула матричної РНК містить довгу ділянку, яка не транслюється рибосомою, але є важливою для функціонування матричної РНК. Ген закінчується ділянкою, що відповідає за припинення транскрипції, — термінатором. Термінатор забезпечує від’єднання РНК-полімера- зи від ДНК та припинення транскрипції. Як і у випадку промотора, термінатор може бути по-різному влаштований у різних генах. Цікаво, що послідовність, яка виконує роль термінатора в генах матричної РНК еукаріотів, не припиняє транскрипцію миттєво: РНК-полімераза зчитує ще 100–200 нуклеотидів і тільки тоді «відпадає» від ДНК. Зайві нуклеотиди потім відрізаються ферментами клітини.

Гени прокаріотів та еукаріотів відрізняються за будовою

1 В еукаріотів може бути багато стоп-кодонів. Зазвичай після головного розташовані кілька додаткових, щоб напевно припинити синтез білка. Більше того, як ми побачимо далі, у гені еукаріотів є ділянки, які будуть вирізані в процесі дозрівання матричної РНК. Ці ділянки не повинні транслюватися й часто містять стоп-кодони, аби запобігти синтезу неправильного білка в разі порушення їх вирізання.

142

143

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1Ген еукаріотів містить інформацію про

2Якщо матрична РНК має послідовність нуклеотидів АЦУГГЦА, то змістовний ланцюг ДНК мав послідовність

А АЦУГГЦА Б УГАЦЦГУ В АЦГГТЦА Г АЦТГГЦА Д ТГАЦЦГТ

3Правильне розташування елементів гена таке:

А старт-кодон – промотор – кодувальна частина – стоп-кодон – термінатор Б промотор – старт-кодон – кодувальна частина – стоп-кодон – термінатор В старт-кодон – кодувальна частина – промотор – стоп-кодон – термінатор Г промотор – старт-кодон – кодувальна частина – термінатор – стоп-кодон Д старт-кодон – промотор – кодувальна частина – термінатор – стоп-кодон

4В оперон об’єднуються гени, що кодують А білки мембран Б білки, потрібні для біосинтезу білка

5Еукаріоти вирізають інтрони під час дозрівання мРНК, тому що

А рибосомі незручно працювати з довгою мРНК Б довгі мРНК не можуть залишити ядро крізь ядерну пору В інтрони несуть інформацію про шкідливі білки Г інтрони не кодують частини білка Д інтрони перешкоджають зчитуванню екзонів

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Чому для синтезу мРНК використовується антизмістовний ланцюжок ДНК? Чи можна зчитати той самий ген зі змістовного?

7Довжина гена завжди більша за довжину недозрілої мРНК. Що є причиною цього? Куди зникають «зайві» фрагменти?

8Чому при змішуванні дозрілої мРНК та антизмістовного ланцюга ДНК утворюються петлі?

9Чого в клітині більше — генів чи різних видів білків, за ними синтезованих? Чи однаковою буде відповідь стосовно еукаріотів і прокаріотів та чому?

10Чи важливим є те, у якому напрямку зчитувати ген в ході транскрипції? Як ви гадаєте, чим визначається напрямок зчитування?

11Що спільного між Термінатором у виконанні Арнольда Шварценеггера в однойменному фільмі та термінатором гена?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

12Оціни переваги та недоліки оперонної системи організації генів у прокаріотів. Чому еукаріоти «відмовилися» від такої системи?

13Яку роль виконують малі ядерні РНК у процесі дозрівання мРНК?

144

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

14Крім генів, що кодують ферменти, до складу оперонів входять і регуляторні гени. Опиши роботу такої регуляції на прикладі лактозного оперону бактерій.

15Альтернативний сплайсинг значно розширює різноманіття білків організму. У чому суть цього процесу та до яких захворювань може призводити його порушення?

Доповнення VII

Рис. VII.1. Схема альтернативного сплайсингу гена з п’ятьма екзонами

У ході транскрипції синтезується ланцюг РНК, що містить інтрони та всі п’ять екзонів, але до зрілої мРНК потрапляють лише деякі екзони, тож у результаті виникає три варіанти мРНК, що відповідають трьом формам білкового продукту.

145

іншого, відбувається її сплайсинг: інтрони вирізаються, а екзони зшиваються разом, і така вже дозріла матрична РНК (мРНК) є основою для трансляції. За процес сплайсингу РНК у клітині відповідає цілий комплекс білків і молекул РНК — сплайсосома.

Але не завжди всі екзони зшиваються та потрапляють до мРНК. Деякі з них за певних умов у ході сплайсингу вирізаються разом з інтронами, а іноді деякі інтрони не вирізаються і залишаються в мРНК. У результаті цього явища, що має назву альтернативний сплайсинг, відбувається трансляція різних варіантів білка з того самого гена. Схематично процес альтернативного сплайсингу зображено на рисунку VII.1.

Альтернативний сплайсинг було відкрито наприкінці 1970-х рр. в аденовірусів, але його поширеність і значення для живих організмів вдалося зрозуміти лише нещодавно.

Зокрема, виходячи з гіпотези, що один ген кодує один білок, учені не могли пояснити, чому в людини лише 23 тисячі генів, що не набагато більше, ніж генів у геномі круглого черва ценорабдітіса (близько 20000), але при цьому організм людини організований набагато складніше, ніж у круглих червів. Аналіз матричних РНК, проведений 2008 року вченими із США, показав, що альтернативному сплайсингу піддаються до 94 % генів людини. Водночас у ценорабдітіса альтернативний сплайсинг зачіпає лише близько 15 % генів. Виходить, що за подібної кількості генів в організмі людини синтезується набагато більше різних білків.

Найкраще альтернативний сплайсинг був вивчений у дрозофіли, яка впродовж десятиліть є улюбленим об’єктом різноманітних генетичних досліджень. Відмінності між самцями та самицями в цих плодових мушок визначаються каскадом взаємопов’язаних генів, що піддаються альтернативному сплайсингу. Наведемо приклад: стать у дрозофіл визначається кількістю X-хромосом, яка впливає на альтернативний сплайсинг гена Sxl. При цьому функціональний білок Sxl зчитується лише в самиць. Цей білок регулює альтернативний сплайсинг гена Tra, у результаті його дії відбувається синтез функціонального білка Tra, зно- ву-таки, лише в самиць. Своєю чергою, у нервовій системі дрозофіл білок Tra регулює альтернативний сплайсинг гена Fru, але вже таким

чином, що білок на отриманій мРНК у самиць не утворюється. У підсумку функціональний білок Fru є лише в самців, і саме він визначає поведінкові навички, що потрібні їм для залицяння до самиць! У ході експерименту було доведено, що самиці-мутантки із «чоловічим» варіантом білка Fru теж залицяються до самиць.

Рис. VII.2. Альтернативний сплайсинг очима художника

Дві РНК-полімерази (зелений глобулярний білок) рухаються подвійною спіраллю ДНК (жовтогарячого кольору) у глибину рисунка, синтезуючи молекулу мРНК — транскрипт (зображений як стрічка). Синтезований транскрипт РНК містить різні екзони (кольорові ділянки) та інтрони (сірі ділянки стрічки). Сплайсосома (жовта глобулярна структура) вирізає черговий інтрон (сіра петля вгору) і з’єднує кінці синього та рожевого екзонів. У вже опрацьований ланцюг РНК (ліворуч від сплайсосоми) включений зелений екзон. А друга сплайсосома (у глибині рисунка), навпаки, вирізає зелений екзон зі свого ланцюга РНК. Вирізані інтрони, замкнені в кільця, пливуть геть від сплайсосоми.

146

§ 27. Геноми

Геном — сукупність спадкової інформації

Нагадаємо, що інформація про будову, розвиток і функціонування організмів зберігається в молекулах ДНК. Часто вона також зберігається у вигляді цитоплазматичних молекул РНК та у вигляді модифікацій білків, пов’язаних із ДНК. Проте частка такої інформації надзвичайно мала. Більша частина ДНК у клітині спакована у вигляді комплексу з білками — хромосом. У бактерій зазвичай одна хромосома, в еукаріотів — багато.

Також клітини містять позахромосомну ДНК. У бактерій це плазміди — невеликі молекули ДНК, що часто зумовлюють патогенність або стійкість до антибіотиків. Плазміди дуже різноманітні та, як правило, дають ту чи іншу перевагу в середовищі існування. Так, у присутності антибіотика бактерії, що мають плазміду, яка несе гени стійкості, отримують перевагу порівняно з бактеріями, позбавленими такого захисту. На щастя для бактерій (і на жаль для нас!), вони можуть обмінюватися своїми плазмідами, поширюючи гени стійкості. Однак якщо антибіотик вилучити із середовища, у якому ростуть бактерії (тобто стійкі бактерії більше не отримуватимуть переваги), то бактерії поступово почнуть втрачати ці плазміди.

Плазміди також були виявлені в деяких одноклітинних еукаріотів: хлорели, хламідомонади та хлібопекарських дріжджів. Використовуючи методи генної інженерії, учені можуть уводити плазміди до еукаріотичних клітин спеціально, щоб примусити їх синтезувати той чи інший білок або РНК. Проте в еукаріотів у великій кількості наявні позахромосомні ДНК іншого типу — ДНК органел. Мітохондрії та хлоропласти також несуть молекули ДНК, що кодують частину білків і РНК цих органел (рис. 27.1). Із ДНК мітохондрій, хлоропластів і плазмід пов’язана так звана цитоплазматична спадковість, тобто така, яку забезпечують структури поза ядром. Сукупність усієї спадкової інформації у вигляді ДНК, що міститься в клітині організму, називають геномом1.

Рис. 27.1. Строкате листя багатьох рослин — яскравий приклад ознаки, яка визначається генами хлоропласта

У білих частинах листя є хлоропласти, у яких у результаті мутації в їхній ДНК порушений синтез зеленого пігменту хлорофілу. Ці хлоропласти не можуть здійснювати фотосинтез, а людина, розводячи такі рослини з декоративною метою, побічно сприяє поширенню цієї мутації.

1Нагадаємо, багато вірусів мають РНК-геном. Крім того, у багатьох багатоклітинних організмів сукупності ДНК відрізняються в різних клітинах і тканинах, тому правильніше використовувати визначення геному як сукупності ДНК у зиготі — клітині, що є результатом злиття статевих клітин — гамет.

147

Рис. 27.2. Приклади організмів та розміри їхніх геномів

А. Мікоплазми в еритроцитах людини (500 генів). Б. Пекарські дріжджі (5800 генів). В. Плодова мушка дрозофіла (13 600 генів). Г. Круглий черв ценорабдітіс (18 500 генів). Д. Гіллястовусий рачок дафнія (31 000 генів). Е. Рис посівний (40 000 генів). Є. Людина розумна (23 000 генів).

Кількість генів у клітині не залежить від складності організму

Кількість генів у геномах різних організмів значно варіюється. Зазвичай витримується таке правило: в еукаріотів генів більше, ніж у прокаріотів, у багатоклітинних організмів більше, ніж в одноклітинних (рис. 27.2). Варті уваги внутрішньоклітинні паразити, у яких генів менше, ніж у їхніх непаразитичних родичів. Так,

увільноживучих бактерій мінімальний набір становить приблизно 1500 генів, а

убактерій внутрішньоклітинних паразитів (наприклад, у мікоплазм, різні види яких спричиняють у людини атипову пневмонію та захворювання статевої системи) — приблизно 500 генів. В одноклітинних еукаріотів мінімальна кількість генів становить приблизно 5000, у багатоклітинних — 13 000. У вищих рослин і ссавців — зазвичай 25 000 генів. Однак кількість генів усередині груп може значно варіюватися. Так, геном плодової мушки дрозофіли містить 13 600 генів. А в мікроскопічного круглого черва ценорабдітіса, який мешкає у рослинності, що гниє, — 18 500. Ре-

кордсменом за кількістю генів серед досліджених геномів тварин є крихітний рачок дафнія — 31 000 генів. У цьому він значно випередив людину з її 23 000 генів. Однак геном рису посівного ще більший — 40 000 генів. Пояснюється це тим, що

в дафнії та рису більшість генів у геномі мають по кілька копій. Розмір геному також не завжди пропорційний кількості генів. У пекарських дріжджів 5800 генів при розмірі геному у 12,2 млн пар нуклеотидів, а в дріжджів іншого виду — 5000 генів, хоча геном довший — 14,1 млн пар нуклеотидів. Цей парадокс пояснюється тим, що в геномі, окрім генів, є ще й некодувальна ДНК.

Не вся ДНК еукаріотів складається з генів

На запитання, що міститься в геномі, перша відповідь, яка спадає на думку, — гени. Справді, гени — це обов’язковий компонент геномів усіх живих організмів1. Утім гени не розташовані один за одним у вигляді неперервного ланцюга — між ними є міжгенна ДНК. Ця частина ДНК не кодує молекули РНК, і транскрипція

1У рослин, щоправда, є особливі інфекційні РНК — віроїди, що з датні самостійно розмножуватися, не несучи в собі при цьому жодного гена. Звісно, такі РНК не більше живі, ніж віруси.

148

на них відбувається1. Частота мутацій у цих ділянках дуже висока, адже мутації в них зазвичай не призводять до порушень роботи організму. Такі мутації нешкідливі та, на відміну від мутацій у генах, не видаляються, бо ні на що не впливають. У бактерій такі міжгенні проміжки дуже короткі й представлені лише кількома нуклеотидами. Але якщо ми зазирнемо до послідовностей ДНК людини, то, на свій подив, виявимо, що проміжки між генами можуть бути утворені тисячами, десятками тисяч і навіть сотнями тисяч пар нуклеотидів некодувальної ДНК.

Улюдини лише невеличка частина ДНК кодує білки

Улюдини ДНК, що кодує РНК і білки, становить лише 1,5 % від всієї ДНК хромосом. Наявність такого величезного некодувального геному в еукаріотів (особливо багатоклітинних) тривалий час залишалася загадкою для вчених. Спочатку його вважали непотрібним і зневажливо називали «сміттєвою ДНК». Однак виявилося, що ця ДНК не така вже й непотрібна2. Отже, розглянемо, які послідовності є в геномі людини (рис. 27.3).

Як ми вже з’ясували, екзони, що кодують РНК та білки, становлять 1,5 % ДНК. На інтрони припадає приблизно 26 %. Ще приблизно 25 % становить некодувальний міжгенний матеріал, що включає регуляторні елементи, а також мертві нефункціональні гени, що колись працювали. Понад 5 % представлено повторами різного ступеня складності: від простих (типу …АЦАЦАЦАЦ…, і так сотні разів) до значно складніших.

Проте найбільша частина геному, що залишилася (приблизно 45 %), — це так звана рухлива ДНК. Ця ДНК здатна так чи інакше змінювати своє положення в геномі й навіть розмножуватися в ньому, збільшуючи кількість своїх копій. Значна частина цієї ДНК (понад 8 %) — загиблі віруси, що колись вбудувались у геном наших предків, але втратили свою патогенність. Тепер вони пасивно подорожують із нами в часі. Велика частина цієї рухливої ДНК стала «нерухомою»: отримала мутації, що позбавили її здатності «стрибати» по геному. Але послідовність нуклеотидів свідчить про її походження від більш «динамічних» предків. Рухлива ДНК належить до так званої «егоїстичної» ДНК.

1Останні дослідження показують, що вона все-таки відбувається, проте здійснюється дуже своєрідно й невідомо навіщо.

2Хоча сміття там теж багато.

149

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1 У результаті дослідження клітини організму вдалося виявити там усього лише одну хромосому й кілька плазмід. Найімовірніший об’єкт дослідження — це А людина

Б метелик лимонниця В черв ценорабдітіс Г хлорела

Д дизентерійна бактерія

2 До цитоплазматичної спадковості НЕ належить такий вид спадкового матеріалу, як А ДНК плазмід

Б мітохондріальна ДНК В ДНК хлоропластів Г ДНК амілопластів

Д хромосомна ДНК еукаріотів

3Правильний порядок розташування організмів за зростанням кількості генів у їхньому геномі такий:

Амікоплазма — ведмідь — амеба

Бтуберкульозна паличка — хлібопекарські дріжджі — тушкан

Вбактерія ангіни — дафнія — плодова мушка

Г людина — черв ценорабдітіс — хлорела Д рис — білка — молочнокисла бактерія

4 Виберіть правильне твердження.

А у геномі паразитів генів більше, ніж у геномі непаразитичних родичів Б у геномі багатоклітинних еукаріотів генів більше, ніж у геноміодноклітинних

В кількість генів у геномі зменшується через їх копіювання

Гу геномі рису генів стількі ж, скільки і у геномі людини Д у геномі людини генів більше, ніж у геномі дафнії

5Небезпечність рухливої ДНК у тому, що вона А може розірвати ДНК

Б знищує РНК В блокує транскрипцію

Грозриває гени білків

Дспоживає енергію клітини

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Чомукурсприйманняантибіотиківпотрібнопроходитидокінця,навітьякщо симптоми зникли?

7Чому строкаті рослини доволі поширені в оранжереях, але їх майже немає в дикій природі?

8Назвіть властивості організму, від яких залежить кількість генів у геномі.

150