Уcтройство генов прокариотов

Устройство генову прокариотов отличаютсяотсутствием экзон-интронной структуры.А именно, в отличие от эукариотов, гены цельные, представлены единой нуклеотидной последовательностью и не расчленены на кодирующие участки –экзоныи некодирующиеинтроны. Поэтому у прокариотовотсутствует сплайсинг – процесс вырезания некодирующих интронов в молекуле информационной РНК. Исключением являются гены, кодирующие рибосомальные и транспортные РНК (р-РНК и т-РНК), у которых имеется зачаточный сплайсинг и вырезаются отдельные петли.

Гены у прокариот бывают одиночными (около 70%) или собраны в группы – опероны.

Оперон – это группа генов под общими промотором и терминатором, которые кодируют ферменты последовательных метаболических превращений. Так, в лактозном опероне кишечной палочки собраны 3 гена катаболизма лактозы. Первый ген кодирует фермент бета-галактозидазу, который расщепляет лактозу на два моносахара (глюкозу и галактозу). Второй ген кодирует пермеазу – фермент- переносчик, осуществляющий перенос модифицированной галактозы внутрь клетки. Третий ген кодирует фермент трансацетилазу, вовлекающий углевод в дальнейший метаболизм. В триптофановом опероне кишечной палочки – 5 структурных генов, в гистидиновом опероне у сальмонелл – 11 генов.

Во время транскрипции с оперона считывается полицистронная и-РНК (цистрон = ген), содержащая генетическую информацию о всех структурных генах оперона, а с единичного гена транскрибируется моноцистронная и-РНК.

У эукариотов гены почти всегда одиночные и только гены т- и р-РНК собраны в кластеры, напоминающие опероны бактерий.

На ДНК в пределах гена или оперона различают смысловую и матричную цепи. Смысловая цепь, она же кодогенная, имеет последовательность нуклеотидов, определяющих набор аминокислот в соответствующем белке. Матричная цепь (некодогенная) комплементарна смысловой цепи и является матрицей для синтеза и-РНК. Информационная РНК, транскрибируемая на матричной цепи ДНК, по набору нуклеотидов полностью соответствует смысловой цепи.

Тонкая структура гена (оперона) на примере лактозного оперона E. coli

Промоторная зона					Кодирующая часть оперона					Терминатор-ная зона
					Гены ферментов одного пути
Р	О	CR		IK	1	2	3	ТК			PD, ТА
Про-мо-тор	Оператор Сайт свя- зывания с белком регуля- тором R	Центр свя- зывания с рибосомой, Начало транскрип-ции		АТГ (на РНК- АУГ)	Ген бета-галактози-дазы	Ген Перме- азы	Ген транс- Ацетилазы	ТАА,ТАГ ТГА (на РНК – УАА,УАГ УГА)			ГЦ-палин- дром, ТА-зона
		Рамка транскрипции
			Рамка трансляции

Рис.2.1.

Обозначения к схеме и пояснения

Р – промотор. Это регуляторный участок гена или оперона, к которому присоединяется РНК-полимераза – основной фермент транскрипции. В промоторе выявляются две консервативные зоны, названные консенсусными: ТТГАЦА и ТАТААТ.

ТТГАЦА – блок Гилберта, положение на ДНК - (-35), налево относительно нулевой точки начала транскрипции. Это зона узнавания РНК-полимеразой места присоединения к ДНК перед началом транскрипции.

ТАТААТ – блок Прибнова, положение на ДНК- (-10) – предназначен для сборки РНК-полимеразы. Также является маркером распознавания трансгенных организмов.

РНК-полимераза прокариот - фермент, осуществляющий транскрипцию, формируется из пяти субъединиц ααββ^/σ: 2-х α-субъединиц (альфа), β-субъединицы (бета), β^/-субъединицы (бета штрих) и σ- субъединицы (сигма). Комплекс из четырех субъединиц ααββ^/ называют кор-ферментом или минимальным ферментом). Субъединица σ (сигма) участвует в сборке полного холофермента, а в конце инициации транскрипции отпадает от комплекса. Синтез и-РНК (транскрипцию) на матричной цепи ДНК ведет кор-фермент.

О – оператор - это регуляторный участок гена (или оперона) для присоединения белка-регулятора, который может блокировать транскрипцию (белок-репрессор), либо активировать ее (белок-активатор).

R – белок-регулятор может связываться с ДНК в области оператора и либо блокировать, либо активировать продвижение РНК-полимеразы по матричной цепи ДНК. Ген, кодирующий белок-регулятор, может находиться вблизи гена (оперона) или на большом удалении от него, или же может быть расположенным внутри самого оперона среди структурных генов (при аутогенном контроле транскрипции). Более того, один белок-регулятор может регулировать работу нескольких генов или оперонов. Такая система называется регулоном.

CR – центр связывания с рибосомой, может содержать несколько десятков нуклеотидов. Транскрипция начинается именно с этой зоны, как правило, с аденина в последовательности ЦАТ. Очень важную роль среди нуклеотидов этой зоны играет последовательность Шайна-Дальгарно – АГГАГГ. При транскрипции РНК-полимераза синтезирует на матрице CR-участка лидерную последовательность информационной РНК (и-РНК), которая участвует в следующем этапе экспрессии генов - трансляции. Как же это происходит? В 16S РНК рибосомы (в меньшей субчастице) есть последовательность 3^/ УЦЦУЦЦ 5^/, комплементарная последовательности Шайна-Дальгарно – 5^/ АГГАГГ 3^/. Благодаря этому и-РНК и 16S РНК рибосомы соединяются комплементарными участками. Это важно для инициации трансляции, а именно для фиксации и-РНК в меньшей субчастице рибосомы. В рибосоме лидерная часть и-РНК очевидно отрезается специальными ферментами и в трансляции участия не принимает.

Схема фиксации лидерной последовательности И-РНК на комплементарной последовательности 16S РНК рибосомы

IK – инициирующий кодон АТГ, который кодирует на РНК – АУГ, с него при трансляции начинается синтез полипептида. АУГ в составе молекулы и-РНК на рибосомах кодирует первую аминокислоту белка формилметионин ( у эукариот – метионин). У некоторых микроорганизмов вместо АУГ может быть ГУГ, кодирующий валин.

Зона структурных генов(1-3) начинается сразу за инициирующим кодоном и содержит нуклеотидные последовательности генов, кодирующих ферменты катаболизма лактозы. Для того, чтобы белковые продукты этих генов в процессе трансляции на рибосомах могли разделяться на отдельные белковые молекулы ферментов, между структурными генами моут быть расположены дополнительные последовательности Шайна-Дальгарно.

Терминатор (терминаторный участок) начинается за зоной структурных генов. Он обеспечивает окончание процессов транскрипции (синтеза и-РНК) и трансляции на рибосомах. Терминатор состоит из трех важных блоков: ТК (терминирующего кодона), PD (ГЦ-палиндрома) и ТА-зоны. Рассмотрим их.

ТК -- терминирующий кодон важен для окончания трансляции на рибосомах. Может быть представлен такими триплетами на ДНК: ТАА, ТАГ или ТГА. На и-РНК – это будут стоп-кодоны или нонсенс-кодоны (бессмысленные) УАА, УАГ или УГА. Они не кодируют ни одной аминокислоты, поэтому при трансляции на рибосомах на них обрывается синтез полипептида.

PD -- палиндромы – зона терминатора. Это - инвертированные (повёрнутые на 180 градусов) последовательности, преимущественно из ГЦ- и ЦГ-пар, которые на ДНК способны образовывать крестовую, а на РНК – шпилечную структуру. Для палиндромов характерна комплементарность по горизонтали и вертикали. Именно ГЦ-палиндром в составе терминатора гена (оперона) приводит к замедлению продвижения по данному участку РНК-полимеразы, ведущей синтез и-РНК, т.е. тормозит транскрипцию.

ТА – зона терминатора – участок ДНК, в котором многократно повторяются ТА-пары нуклеотидов, т.е. в смысловой цепи ДНК повторяются остатки тимина, а в матричной - аденина. На матричной цепи ТА-участка ДНК при транскрипции РНК-полимераза синтезирует концевой участок информационной РНК – так называемый уридиловый хвост, состоящий из остатков урацила. Между адениловыми остатками ДНК-овой матрицы и комплементарными уридиловыми остатками синтезируемой и-РНК имеется только по две водородных связи, в отличие от ГЦ-пар, соединенных тремя водородными связями. Поэтому в ТА-зоне происходит легкое отсоединение и-РНК от ДНК-матрицы. Обычно ТА-зона терминатора достаточно протяженная в ρ-независимых (ро-независимых) терминаторах. В ρ-зависимых терминаторах основную роль в терминации (окончании) транскрипции выполняет ρ-белок. Этот белок «садится» на 5^/-конец и-РНК, скользит по ней, догоняя РНК-полимеразу и после прокатки через ГЦ- палиндром, сбивает РНК-полимеразу с матричной цепи ДНК. Поэтому ТА зона в ρ-зависимых терминаторах может отсутствовать или быть слабо выражена.

Экспрессия генов у прокариотвключает транскрипцию и трансляцию, однако из-за отсутствия ядерной мембраны эти процессы сопряжены и проходят почти одновременно. Освобождающаяся от матричной ДНК молекула и-РНК поступает на полисому (комплекс ≈ из 10 рибосом), которая располагается на ЦПМ, где почти сразу начинается трансляция. Белковый продукт появляется в клетке через 2,5-3 минуты после начала транскрипции.

Регуляция экспрессии геновосуществляется на уровне транскрипции и трансляции. На уровне транскрипции с помощью таких механизмов, какнегативный и позитивный контроль, индукция и репрессия, аутогенный контроль, катаболитная репрессия. На уровне трансляции изучен механизм регулирования с помощью образования альтернативных шпилек на и-РНК -аттенуация.

Invivo(в живой клетке) чаще всего имеют место смешанные механизмы регулирования. Выделяют4 типа классических оперонов:

1. индуцибельный с положительным контролем;

2. индуцибельный с отрицательным контролем;

3. репрессибельный с положительным контролем;

4. репрессибельный с отрицательным контролем;

Встречаются и смешанные механизмы регуляции, например, катаболитная репрессия.

Передача генетической информации у прокариотосуществляется как по вертикали (от материнской клетке к дочерней), так и по горизонтали (между клетками одного вида, разных видов, родов, семейств) с помощью механизмов рекомбинации – конъюгации, трансформации, трансдукции, сексдукции, трансфекции, транспозиции. Горизонтально, могут передаваться плазмиды, транспозоны, вирусы. Все они могут захватывать и переносить фрагменты генома.

Для прокариотов, кроме хромосомного, характерен еще плазмидный геном. В клетке может находиться от нескольких единиц до нескольких сотен плазмид.

Плазмиды– двухцепочечные кольцевые ДНК, которые несут дополнительные гены: гены устойчивости к токсинам, антибиотикам, сульфаниламидам, тяжёлым металлам, нефтепродуктам, нафталину, камфоре, а также гены синтеза токсинов, антибиотиков, гемолизинов и других факторов патогенности. Гены факторов патогенности обычно собраны в особые кластеры (группы), получившие названиеостровов патогенности. С помощью плазмид, фагов и транспозонов острова патогенности и другиегеномные острова(Genomislands) могут переноситься горизонтально от одной клетки к другой не только в пределах вида, но и между представителями разных родов и семейств.

В 70-х годах у бактерий обнаружили транспозоны– мобильные генетические элементы (так называемые «прыгающие» гены), способные перемещаться с одного сайта генома в другой, например, между различными участками хромосом, из хромосомы в плазмиду, в фаговую ДНК и наоборот.