Перекрывающиеся гены

Перекрывающиеся гены (overlapping genes) [греч. genos — род, происхождение] — разные гены, имеющие общий участок нуклеотидной последовательности в ДНК;

Перекрывание генов впервые было обнаружено у небольших вирусов и первоначально рассматривалось как феномен, связанный с естественным отбором на общее уменьшение размеров генома. В дальнейшем перекрывающиеся гены нашли в геномах бактерий, митохондрий и хлоропластов и получили многочисленные свидетельства их транскрипционного или посттранскрипционного взаимодействия. Предполагается, что перекрывание имеет важное значение для совместной регуляции экспрессии генов и/или обеспечения взаимодействия на транскрипционном или трансляционном уровне. В обзоре рассмотрены различные типы перекрывания генов и оперонов, а также молекулярные механизмы взаимодействия перекрывающихся генов. В настоящее время понятие "ген" включает в себя не только собственно белоккодирующую область, но и многочисленные регуляторные элементы, часть которых может находиться на значительном удалении от кодирующей области. Поэтому термин "перекрывающиеся гены" (overlapping genes) недостаточно точен, поскольку чаще всего под ним подразумевают участки ДНК, в которых одна нуклеотидная последовательность кодирует более одного полипептида (или молекулы РНК). Таким образом, более верно говорить о "перекрывающихся рамках считывания". Однако перекрывание только регуляторных областей различных генов также представляет интерес, поскольку почти всегда регуляция экспрессии этих генов так или иначе взаимосвязана. В данном обзоре термин "ген" используется для обозначения совокупности кодирующей области (рамки считывания) и регуляторных областей. Следовательно, говоря "перекрывающиеся гены", мы подразумеваем, что перекрываются кодирующие или же регуляторные области этих генов.

Структура лактозного оперона e. Coli, регуляция его генетической активности.

Механизм  регуляции   генетического  кода был открыт французскими учеными ФЖакобом и ЖМоно в 1961 г. на бактериях  E . coli  и получил название механизма индукции-репрессии. Было установлено, что синтез соответствующих белков - ферментов индуцируется веществом, служащим субстратом для данного фермента и необходимым для нормальной жизнедеятельности клетки.

Так, например, для нормальной жизнедеятельности  E . coli  необходим молочный сахар (лактоза) и в ее геноме содержатся гены, контролирующие синтез ферментов, гидролизующих лактозу до простых соединений. Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены пребывают в репрессированном состоянии и не функционируют. Внесенная в среду лактоза будет тем индуктором, который включает в работу данные гены, и в клетке начинается синтез ферментов, гидролизующих лактозу до более простых соединений. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается.

Роль репрессора может выполнять и вещество, синтезируемое в клетке, если содержание  его  превышает норму. Например, если синтезируются нуклеотиды, аминокислоты и другие вещества и содержание их превышает количество, необходимое данной клетке, каждое из них может быть репрессором и подавлять работу генов, синтезирующих ферменты, необходимые для данного биохимического процесса.

Механизм индукции - репрессии обеспечивает включение (индукцию) в работу тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается(репрессируется), когда деградируемый данными ферментами субстрат израсходован или когда синтезируемое данными ферментами вещество находится в избытке.

По теории Жакоба и Моно, гены, влияющие на синтез определенного фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход реакции синтеза. Такая группа генов называется  опероном , а гены, непосредственно кодирующие синтез соответствующих ферментов, называют структурными генами. В начале каждого  оперона  находится специальный ген — ген оператор. На структурных генах одного  оперона  обычно образуется одна м-РНК, и эти гены бывают одновременно активны или неактивны. Как правило, структурные гены в  опероне  находятся в состоянии репрессии.

Включение в работу  оперона  или выключение  его  осуществляет участок ДНК, получивший название гена — регулятора. Ген-регулятор расположен на особом участке молекулы ДНК и кодирует синтез белка — ре-прессора, выключающего работу  оперона . Соединяясь с геном - оператором, репрессор замыкает двойную цепь молекулы ДНК, прекращая этим синтез м-РНК на структурных генах и образование первого из ферментов, необходимого для хода реакции синтеза.

Работой структурных генов управляют находящиеся в  опероне  гены, не имеющие кодирующих функций. Их называют акцепторными генами. Система акцепторных и структурных генов образуют один  оперон .  Оперон  состоит из нескольких участков ДНК, каждый из которых принимает активное участие в транскрипции м-РНК: промотора, оператора, спейсера, структурных генов и терминатора.

Промотор — участок ДНК, опознаваемый ферментом РНК- по-лимеразой, обеспечивающим синтез м-РНКЕму в  опероне  предшествует участок ДНК, к которому присоединяется Сар-белок - белок активатор. Эти два участка ДНК состоят из 85 нуклеотидных пар. После промотора в  опероне  размещается ген — оператор, состоящий из 21 нуклеотидной пары С  ним  обычно и бывает связан белок - репрессор, вырабатываемый геном-регулятором За геном-оператором располагается спейсер (space -промежуток). Спейсеры — неинформативные участки молекулы ДНК различной длины (иногда до 20000 пар оснований), которые, по видимому, принимают участие в регулировании процесса транскрипции соседнего гена.

После спейсера в  опероне  располагаются структурные гены, число которых может быть различным. У кишечной палочки lac-оперон содержит

три структурных гена, состоящих из 6000 нуклеотидных пар и имеющих условные обозначения z, у и а. Каждый из них кодирует синтез соответствующего фермента Заканчивается  оперон  терминатором — небольшим участком ДНК, который служит стоп-сигналом синтеза м-РНКна данном  опероне .

Акцепторные гены служат местом прикрепления различных белков, регулирующих работу структурных генов. Если лактоза, проникая в клетку (ее в данном случае называют индуктором), блокирует белки, кодируемые геном-регулятором, то они теряют способность присоединяться к гену-оператору. Ген-оператор переходит в активное состояние и включает в работу структурные гены.

РНК-полимераза с помощью Cap-белка (белка-активатора) присоединяется к промотору и, продвигаясь по  оперону , синтезирует про-м-РНК. При транскрипции м-РНК считывает  генетическую  информацию со всех структурных генов в одном  опероне . При трансляции на рибосоме происходит синтез нескольких разных полипептидных цепей, в соответствии с содержащимися в м-РНК кодонами — последовательностями нуклеотидов, обеспечивающих инициацию и терминацию трансляции каждой цепи. Тип  регуляции  работы генов, рассмотренной на примере  лактозного   оперона , называется негативной индукцией синтеза белка.