Ген – это фрагмент молекулы ДНК, содержащий регуляторные элементы и структурную область, и соответствующий одной единице транскрипции, которая определяет возможность синтеза полипептидной цепи или молекулы РНК.
Ген прокариот называется опероном , в его состав входят два основных участка:
У прокариот на долю регуляторных элементов приходится около 10 %, структурных – 90 %.
Структурная область генов прокариот (единица транскрипции) может быть представлена одним кодирующим участком, который называется цистроном , либо несколькими кодирующими участками (полицистронная единица транскрипции ). В структурной зоне закодирована информация о последовательности аминокислот в виде генетического кода. Со структурной области считывается мРНК. При наличии у прокариот полицистронной единицы транскрипции на одном структурном участке одновременно может синтезироваться несколько разновидностей мРНК.
К регуляторным элементам генов прокариот относятся участки, управляющие работой гена:
Промотор определяет начало транскрипции (участок инициации). С промотором соединяется фермент РНК-полимераза , осуществляющий синтез мРНК. Другой элемент, управляющий процессом транскрипции, – оператор , который располагается поблизости от промотора или внутри него. Этот участок может быть свободным, тогда РНК-полимераза соединяется с промотором и начинается транскрипция. Если оператор связан с белком-репрессором, РНК-полимераза не может нормально соединиться с промотором, и транскрипция невозможна. Следующий регуляторный элемент – терминатор – находится за структурной областью и содержит сигнальный участок остановки транскрипции.
Механизм функционирования системы регуляции синтеза белка был открыт в 1962 году Жакобом и Моно при исследовании культивирования кишечной палочки в лактозной среде и назван lac-опероном.
Упрощенно этот механизм может быть описан следующим образом. На основе информации гена-регулятора синтезируется белок-репрессор; если он активный, он связывается с геном-оператором, перекрывая путь для РНК-полимеразы – процесс трансляции и последующего синтеза белка выключается (запрещается). Если появляется индуктор (например, лактоза в lac-опероне), он присоединяется с белку-репрессору, приводя его в неактивное состояние. Оператор становится активным и включает процесс считывания информации со структурных генов – разрешает трансляцию. Происходит считывание информации с ДНК, начинается синтез необходимого белка – фермента (например, β-галактозидазы в lac-опероне).
Это только один из возможных механизмов, который называется запрещающей индукцией. Существуют и другие механизмы регуляции синтеза белка: разрешающая индукция, разрешающая и запрещающая репрессия, в которых принимают участие апоиндукторы и корепрессоры.
Строение генов у эукариот намного сложнее. Генетическая система эукариот называется транскриптоном . Транскриптон также состоит из двух частей:
Относительная пропорция которых противоположна генам прокариот: на долю регуляторного участка приходится 90 %, структурного – 10 %.
Регуляторный участок представляет собой ряд последовательно расположенных промоторов и операторов и несколько терминаторов. Структурный участок состоит из одной единицы транскрипции и имеет “прерывистое” строение: кодирующие участки (экзоны ) чередуются с некодирующими (интронами ). Одномоментно на структурном участке у эукариот может синтезироваться только одна молекула мРНК, однако благодаря наличию альтернативного сплайсинга в разнос время (в зависимости от потребности клетки) на одной и той же структурной части могут синтезироваться разные виды мРНК (от одной до нескольких десятков).
Определение тонкой структуры гена, т.е. его организации, а также принципы работы, т.е. регуляции активности (включение-выключение), первоначально были установлены для прокариотических клеток.
Эти работы выполнили Франсуа Жакоб и Жак Моно (1961; Нобелевская премия 1965). Согласно концепции Жакоба–Моно, единицей регуляции активности генов у прокариот является оперон. Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят цистроны (единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки и объединенные под одним (или несколькими) промоторами, т.е. размеры оперона превышают размеры кодирующих последовательностей ДНК. Такая функциональная организация позволяет эффективнее регулировать экспрессию (проявление) этих генов.
В целом структура оперона включает: промотор, оператор, структурные гены, терминатор (рис.1).
П — Промотор – это регуляторный участок ДНК, который служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК.
С- Оператор – это регуляторный участок ДНК, который способен присоединять белок-репрессор, который кодируется соответствующим геном. Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать мРНК.
Т- Терминатор – это регуляторный участок ДНК, который служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза мРНК.
Транскрипция группы структурных генов, регулируется двумя элементами – геном-регулятором и оператором. Оператор часто локализуется между промотором и структурными генами; ген-регулятор может локализоваться рядом с опероном или на некотором расстоянии от него.
Если продуктом гена-регулятора является белок-репрессор, его присоединение к оператору блокирует транскрипцию структурных генов, препятствуя присоединению РНК-полимеразы к специфичному участку – промотору, необходимому для инициации транскрипции. Напротив, если белком-регулятором служит активный апоиндуктор, его присоединение к оператору создает условия для инициации транскрипции. В регуляции работы оперонов участвуют также низкомолекулярные вещества – эффекторы, выступающие как индукторы либо корепрессоры структурных генов, входящих в состав оперонов.
Опероны по количеству цистронов делят на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов).
Объединение функционально близких генов в опероны, видимо, постепенно сложилось в эволюции бактерий по той причине, что у них перенос генетической информации обычно осуществляется небольшими порциями (например, при трансдукции или посредством плазмид). Значение имеет само по себе сцепление функционально родственных генов, что позволяет бактериям приобретать необходимую функцию в один этап.
Ген - структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой последовательность ДНК, задающую последовательность определённого полипептида либо функциональной РНК. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. При этом некоторые органеллы (митохондрии, пластиды) имеют собственную ДНК, не входящую в геном организма, которая определяет их признаки.
Среди некоторых организмов, в основном одноклеточных, встречается горизонтальный перенос генов, не связанный с размножением.
Термин «ген» был введён в употребление в 1909 году датским ботаником Вильгельмом Йогансеном.
Изучением генов занимается наука генетика, родоначальником которой считается Грегор Мендель, который в 1865 году опубликовал результаты своих исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Сформулированные им закономерности впоследствии назвали Законами Менделя.
Среди учёных нет единого мнения под каким углом рассматривать ген. Одни учёные его рассматривают как информационную наследственную единицу, а единицей естественного отбора является вид, группа, популяция или отдельный индивид. Другие учёные, как например Ричард Докинз в своей книге «Эгоистичный ген», рассматривают ген как единицу естественного отбора, а сам организм - как машину для выживания генов.
В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены - это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию - о строении одной молекулыбелка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма.
В то же время, каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК (англ.)русск., таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis cis-regulatoryelements ), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами, инсуляторами и супрессорами (иногда классифицируемые как trans -регуляторные элементы, англ. trans-regulatoryelements ). Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.
Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из четырёх видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.
Гены могут подвергаться мутациям - случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное изменённое или анормальное функционирование организма. Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако, далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами и вариациями числа копий (англ. copynumbervariations ), такими как делеции и дупликации, которые составляют около 1 % всей нуклеотидной последовательности человека. Однонуклеотидные полиморфизмы, в частности, определяют различные аллели одного гена.
Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие в себя азотистые основания: аденин(А) или тимин(Т) или цитозин(Ц) или гуанин(Г), пятиатомный сахар-пентозу-дезоксирибозу, по имени которой и получила название сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов.
Гены и мемы
По аналогии с генами Ричардом Докинзом был введён в употребление термин «мем» - единица культурной информации. Если ген распространяется в химической среде, используя для размножения химические вещества, то мем распространяется в информационной среде: на носителях информации, в человеческой памяти, а также в сети. Также как гены конкурируют между собой за ресурсы: химические вещества, так и мемы конкурируют за информационное пространство. По целому ряду причин, между пространственным распределением генов и мемов могут наблюдаться достаточно жёсткие корреляции.
Свойства гена
2. дискретность - несмешиваемость генов;
3. стабильность - способность сохранять структуру;
4. лабильность - способность многократно мутировать;
5. множественный аллелизм - многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;
6. аллельность - в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;
7. специфичность - каждый ген кодирует свой признак;
8. плейотропия - множественный эффект гена;
9. экспрессивность - степень выраженности гена в признаке;
10. пенетрантность - частота проявления гена в фенотипе;
11. амплификация - увеличение количества копий гена.
Классификация
В зависимости от выполняемых функций гены делятся на
1.Структурные гены – гены, контролирующие синтез структурных белков или ферментов
2. Регуляторные гены – гены, контролирующие синтез различных белков, влияющих на активность структурных генов. Регуляторные гены в свою очередь делятся на:
Гены – модификаторы – усиливающие и снижающие активность структурных генов.
Гены – супрессоры – подавляющие активность структурных генов
По влиянию на жизнеспособность организмов гены делятся на:
1 Летальные гены – гены, приводящие к гибели их носителей
Сублитальные гены – гены, приводящие к нарушению репродуктивной функции (стерильность, пониженная жизнеспособность или нежизнеспособность потомства) их носителей
3. Нейтральные гены – не влияющие на жизнеспособность организма.
Строение структурных генов прокариот и эукариот специфичное. У прокариот в большинстве случаев кодирующий участок непрерывен, в генах эукариот наряду с участками, кодирующими специфический для этого гена продукт (полипептид, рибосомную РНК, транспортную РНК), имеются некодирующие участки. Кодирующие участки гена получили, как уже упоминалось, название экзонов, некодирующие - интронов. В структурном гене экзоны чередуются с интронами. Ген как бы разорван.
Число и внутригенная локализация интронов характерны для каждого гена. Размеры интронов различные (от нескольких десятков до нескольких тысяч нуклеотидных пар). Нередко на долю интронов в гене приходится больше нуклеотидов, чем на долю экзонов. Роль интронов мало изучена. Если бы они не выполняли определенных функций, были не нужны организму, элиминировались бы естественным отбором.
Изучение гена продолжается. Современные сведения позволяют говорить о гене как об участке молекулы геномной нуклеиновой кислоты, представляющем единицу функции и способном изменяться и приобретать различные состояния путем мутирования и рекомбинаций. Это сложная, но в функциональном отношении целостная единица наследственности.
Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами).
Генетический аппарат клетки.
Функциональная единица – ген.
Функциональная единица – плазмоген.
1962 год – Д. Гердон – лягушки, опыт, стоял у истоков клонирования животных.
Роль хромосом в наследственности:
Хромосомная теория наследственности.
1. Каждая хромосома представляет уникальную группу сцепления генов. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом.
2. Гены в хромосоме располагаются в линейном порядке и занимают определенное место – локус.
3. М-ду гомологичными хромосомами возможен обмен аллельными генами – кроссинговер , который нарушает сцепление генов и обеспечивает перекомбинацию генов
4. Частота кроссинговера является функцией расстояния между генами:
чем больше расстояние между генами, тем больше вероятность кроссинговера.
5. Частота кроссинговера зависит от силы сцепления м-ду генами:
чем сильнее сцеплены гены, тем меньше вероятность кроссинговера (полное и неполное сцепление).
Карл Эрих Корренс (1908) – опыты с «ночной красавицей», у которой описано явление пестролистности. Неравномерность окраски листьев объясняется неравномерным распределением хлоропластов во время деления.
Борис Эфрусси открыл метохондриальную наследственность у млекопитающих в 1949.
В 1981 была секвенирована митахондриальная ДНК человека (определена точная нуклеотидная последовательность)
ДНК митохондрий.
кодируют 13 белков, 22 молекулы т-РНК, 2 молекулы р-РНК;
Объем митохондриального генома в 200 тысяч раз меньше ядерного.
Химический состав хромосом.
Деспирализованная форма существования хромосом в неделящемся ядре называется хроматина.
Дезоксирибонуклепротеиновый комплекс (ДНП).
Степень компактизации хроматина изменяется в течении метотического цикла клетки и определяет генетическую активность или неактивность хромосом.
Чем выше степень компактизации, тем меньше генетическая активность.
Уровни компактизации:
1. Нуклеосомный:
Может быть получен только искусственным путем.
Хроматиновая фибрилла выглядит в виде ниточки бус.
Гистоновые белки 4х классов (H2a, H2b, H3 и Н4) образуют гистоновые актамеры.
На гистоновые актамеры накручивается молекула ДНК, делая 1,75 оборота.
Есть свободный линкерный участок.
В таком состоянии молекула ДНК укорачивается в6-7 раз.
Диаметр фибриллы 10 нм.
Характерен дляG1 периода интерфазы.
2. Нуклеомерный .
Хроматиновая фибрилла приобретает структуру соленоида за счет соединения соседних нуклеусов за счет встраивания белка Н1 в линкерную область.
Диаметр фибриллы 30 нм.
Коэффициент компактизации – 40 раз.
Характерен для G2 периода интерфазы.
3. Хромомерный.
Компактизация происходит при участии негистоновых белков с образованием петель.
Характерен для начала профазы митоза.
Диаметр фибриллы 300 нм.
Коэффициент компактизации 200-400 раз.
4. Хромонемный .
Петли укладываются в стопки.
Коэффициент компактизации – 1000 раз.
Диаметр фибриллы 700 нм.
Характерен для конца профазы митоза.
5. Хромосомный.
Достигается максимальная степень спирализации хроматина.
диаметр фибриллы 1400 нм.
Коэффициент компактизации 104-105.
Характерен для метафазы митоза.
Строение метафазной хромосомы.
Состоит из 2х хроматид, соединенных первичной перетяжкой или центромерой. В области центромеры находится кинетохор – участок, к которому прикрепляются нити веретена деления. Первичная перетяжка определяет форму хромосомы, деля её на 2 плеча: р – короткое плечо, q – длинное.
По форме:
Для точной идентификации хромосом используют центромерный индекс: отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы.
Ещё есть спутники (в акроцентрических у человека), соединенные вторичной перетяжкой.
Во вторичной перетяжке находятся гены, отвечающие за синтез рибосомальных рнк.
Теломеры – концевые участки хромосом.
Роль теломер:
Разновидности хроматина:
1. Эухроматин — слабо компактизованные, генетически активен, реплицируется в начале интерфазы, преобладают аденин, тимин, содержит все структурные гены
1 и 2 уровень компактизации
2. Гетерохроматин – сильно компактизованные, генетически неактивен, реплицируется позже хроматина, гуанин цитозин преобладают, входят другие классы генов. Потеря участков не влияет.
3 и 4 уровень компактизации.
Половой хроматин.
1949 М. Барр и Л. Бертрам обнаружили половой хроматин в интерфазных ядрах нейронов кошек.
В норме число глыбок полового хроматина на 1 меньше чем число Х-половых хромосом.
Женская зигота млекопитающих имеет две функционально активные Х-хромосомы
На 16й день эмбриогенеза происходит инактивация одной х-хромосомы во всех соматических клетках эмбриона. Процесс инактивации носит случайный характер.
Значение полового хроматина.
Тест, Только в соматических клетках! Для определения пола плода! Для диагностики хромосомных заболеваний, связанных с изменением числа половых хромосом.
В большом спорте как секс-контроль.
Кариотип – хромосомный комплекс соматических клеток определенного вида растений и животных
Показатели:
1956 – Ю. Тио и А. Леван изучили кариотип человека.
Правила хромосом.
В кариотипе выделяют аутосомы (одинаковые для обоих полов) и половые хромосомы. Или 22 пары.
Метод изучения кариотипа – кариологический анализ – лежит в основе цитогенетического метода.
Суть – изучение препаратов метафазных хромосом.
№5
Ген – это фрагмент молекулы ДНК, содержащий регуляторные элементы и структурную область, и соответствующий одной единице транскрипции, которая определяет возможность синтеза полипептидной цепи или молекулы РНК.
Ген прокариот называется опероном, в его состав входят два основных участка:
У прокариот на долю регуляторных элементов приходится около 10 %, структурных – 90 %.
Структурная область генов прокариот (единица транскрипции) может быть представлена одним кодирующим участком, который называется цистроном, либо несколькими кодирующими участками (полицистронная единица транскрипции).
В структурной зоне закодирована информация о последовательности аминокислот в виде генетического кода. Со структурной области считывается мРНК. При наличии у прокариот полицистронной единицы транскрипции на одном структурном участке одновременно может синтезироваться несколько разновидностей мРНК.
К регуляторным элементам генов прокариот относятся участки, управляющие работой гена:
Промотор определяет начало транскрипции (участок инициации). С промотором соединяется фермент РНК-полимераза, осуществляющий синтез мРНК.
Другой элемент, управляющий процессом транскрипции, – оператор, который располагается поблизости от промотора или внутри него. Этот участок может быть свободным, тогда РНК-полимераза соединяется с промотором и начинается транскрипция. Если оператор связан с белком-репрессором, РНК-полимераза не может нормально соединиться с промотором, и транскрипция невозможна. Следующий регуляторный элемент – терминатор – находится за структурной областью и содержит сигнальный участок остановки транскрипции.
Механизм функционирования системы регуляции синтеза белка был открыт в 1962 году Жакобом и Моно при исследовании культивирования кишечной палочки в лактозной среде и назван lac-опероном.
Упрощенно этот механизм может быть описан следующим образом. На основе информации гена-регулятора синтезируется белок-репрессор; если он активный, он связывается с геном-оператором, перекрывая путь для РНК-полимеразы – процесс трансляции и последующего синтеза белка выключается (запрещается). Если появляется индуктор (например, лактоза в lac-опероне), он присоединяется с белку-репрессору, приводя его в неактивное состояние. Оператор становится активным и включает процесс считывания информации со структурных генов – разрешает трансляцию. Происходит считывание информации с ДНК, начинается синтез необходимого белка – фермента (например, β-галактозидазы в lac-опероне).
Это только один из возможных механизмов, который называется запрещающей индукцией. Существуют и другие механизмы регуляции синтеза белка: разрешающая индукция, разрешающая и запрещающая репрессия, в которых принимают участие апоиндукторы и корепрессоры.
Строение генов у эукариот намного сложнее. Генетическая система эукариот называется транскриптоном. Транскриптон также состоит из двух частей:
относительная пропорция которых противоположна генам прокариот: на долю регуляторного участка приходится 90 %, структурного – 10 %.
Регуляторный участок представляет собой ряд последовательно расположенных промоторов и операторов и несколько терминаторов. Структурный участок состоит из одной единицы транскрипции и имеет “прерывистое” строение: кодирующие участки (экзоны) чередуются с некодирующими (интронами). Одномоментно на структурном участке у эукариот может синтезироваться только одна молекула мРНК, однако благодаря наличию альтернативного сплайсинга в разнос время (в зависимости от потребности клетки) на одной и той же структурной части могут синтезироваться разные виды мРНК (от одной до нескольких десятков).
Социальные кнопки для Joomla
Ген определяют как участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК либо взаимодействующий с регуляторным белком.
Ген - это последовательность нуклеотидов, которая выполняет определенную функцию в организме, например последовательность нуклеотидов, кодирующая полипептид тРНК или обеспечивающая транскрипцию другого гена.
Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Его функции выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие от ядра, нуклеоид не имеет собственной оболочки.
Тело прокариот, как правило, состоит из одной клетки. Однако при неполном расхождении делящихся клеток возникают нитчатые, колониальные и полинуклеоидные формы (бактероиды). В прокариотических клетках отсутствуют постоянные двумембранные и одномембранные органоиды: пластиды и митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и их производные. Их функции выполняют мезосомы – складки плазматической мембраны. В цитоплазме фотоавтотрофных прокариот имеются разнообразные мембранные структуры, на которых протекают реакции фотосинтеза.
Размеры прокариотических клеток изменяются от 0,1-0,15 мкм (микоплазмы) до 30 мкм и более. Большинство бактерий имеет размеры 0,2-10 мкм. У подвижных бактерий имеются жгутики, основой которых служит белки флагеллины.
Структура гена прокариот проста. Участок, кодирующий определенный белок, представляет ряд нуклеотидов (триплетных кодонов), которые транскрибируются на мРНК и затем транслируются на рибосоме в данный белок. Более сложной является система регуляции синтеза белка у бактерий. Как показали исследования, проведенные на E.coli, структурные гены, детерминирующие утилизацию этой бактерии лактозы, довольно тесно сцеплены и образуют оперон.
Оперон – участок бактериальной хромосомы, включающий следующие участки ДНК: Р – промотор, О – оператор, Z, Y, А – структурные гены, Т – терминатор. (В состав других оперонов может входить до 10 структурных генов.)
Промотор служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК с помощью комплекса CAP-цАМФ (CAP – специфический белок; в свободной форме является неактивным активатором; цАМФ – циклоаденозинмонофосфат – циклическая форма аденозинмонофосфорной кислоты).
Оператор способен присоединять белок–репрессор (который кодируется соответствующим геном). Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать иРНК.
Структурные гены кодируют три фермента, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Молочный сахар лактоза – менее ценный продукт питания, чем глюкоза, поэтому в присутствии глюкозы сбраживание лактозы является невыгодным для бактерии процессом. Однако при отсутствии глюкозы бактерия вынуждена переходить на питание лактозой, для чего синтезирует соответствующие ферменты Z, Y, А.
Терминатор служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза иРНК, соответствующей ферментам Z, Y, А, необходимым для усвоения лактозы.
Для регуляции работы оперона необходимы еще два гена: ген, кодирующий белок–репрессор, и ген, кодирующий белок СYА. Белок СYА катализирует образование цАМФ из АТФ. Если в клетке имеется глюкоза, то белок СYА вступает с ней в реакцию и переходит в неактивную форму. Таким образом, глюкоза блокирует синтез цАМФ и делает невозможным присоединение РНК-полимеразы к промотору. Итак, глюкоза является репрессором.
Если же в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком–репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок–репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Итак, лактоза является индуктором.
Предположим, что первоначально в клетке имеется только глюкоза. Тогда белок–репрессор присоединен к оператору, а РНК-полимераза не может присоединиться к промотору. Оперон не работает, структурные гены выключены.
При появлении в клетке лактозы и при наличии глюкозы белок–репрессор отщепляется от оператора и открывает путь РНК-полимеразе. Однако РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поскольку глюкоза блокирует синтез цАМФ. Оперон по-прежнему не работает, структурные гены выключены.
Если же в клетке имеется только лактоза, то белок–репрессор связывается с лактозой, отщепляется и открывает путь РНК-полимеразе. В отсутствии глюкозы белок СYА катализирует синтез цАМФ, и РНК-полимераза присоединяется к промотору. Структурные гены включаются, РНК-полимераза синтезирует иРНК, с которой транслируются ферменты, обеспечивающие сбраживание лактозы.
Ген - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определённого признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения. Однако перенос генов от родителей к потомкам не является единственным способом передачи генов. В 1959 году был описан случай горизонтального переноса генов. В отличие от вертикального переноса, в горизонтальном организм передаёт гены организму, который не является его потомком. Этот способ передачи широко распространён среди одноклеточных организмов и в меньшей степени среди многоклеточных.
Гены эукариот
Отметим вначале, что у эукариотических организмов ДНК присутствует не только в ядрах, но и в органеллах - митохондриях, которые есть у всех эукариот, и хлоропластах, имеющихся у зеленых растений. По многим признакам предполагается, что орга-неллы происходят от прокариот: митохондрии от а-пурпурных бактерий, а хлоропласты - от цианобактерий. Их роднят с прокариотами многие черты белок-синтезирующего аппарата. Учитывая направленность интересов генетической инженерии, ограничимся здесь рассмотрением только ядерных генов.
Строение. Гены эукариот по строению и характеру транскрипции значительно отличаются от прокариотических генов. Их отличительной особенностью является прерывность, т. е. чередование в них последовательностей нуклеотидов, которые представлены (экзоны) или не представлены (интроны) в мРНК. Отсюда ясно, что интроны относятся к некодирующим последовательностям. Они могут располагаться не только в области, ограниченной инициирующим и терминирующим кодонами, но и вне их, в начале или в конце гена. Их длина может превышать 10 т.п.н. У низших эукариот прерывные гены составляют меньшинство всех генов (5 % у дрожжей), а у высших - большинство (94 % у млекопитающих). Отметим, что мозаичность генов найдена и в прокариотических клетках.
Эволюционно связанные гены, обладающие высокой степенью физической гомологии, образуют семейства. Белки, кодируемые такими генами, действуя одновременно или на разных этапах развития организма, выполняют одинаковые функции. Например, состав белков в а- и р-цепях гемоглобина крови млекопитающих различен у эмбриона, плода и взрослого организма, что вызвано дифференциальной экспрессией генов, входящих в а- и р-семей-ства глобиновых генов. Наряду с функционирующими генами, в семействах обнаружены нефункционирующие. Такие гены получили название псевдогенов. Они не экспрессируются по различным причинам (изменение рамки считывания из-за делеции или вставки, отсутствие интрона и т. п.).
Характерной чертой генов, входящих в семейство, является сходная картина локализации большинства интронов. Это сходство не ограничивается рамками определенного генома. Так, в случае глобиновых генов сходными по расположению интронов оказались гены у всех исследованных животных - у млекопитающих, птиц и лягушек. Однако длины и нуклеотидные последовательности интронов могут значительно варьировать, меняя тем самым и размеры самих генов.
Транскрипция. Гены эукариот не группируются в опероны, поэтому каждый из них имеет собственные промотор и терминатор транскрипции. Транскрипцию ведут три различные РНК-полимеразы: I, II и III, которые синтезируют рРНК, мРНК и тРНК, соответственно. Как и в случае прокариот, рассмотрим только механизм экспрессии генов, кодирующих белки. Поэтому далее под эукариотической РНК-полимеразой подразумевается РНК-полимераза II. Она состоит из более десятка субъединиц, но все же связываться непосредственно с промотором не может. Ее посадке на промотор способствуют транскрипционные факторы белковой природы. Ряд из них распознают специфические последовательности (боксы) в промоторе.
Длина типового промотора высших эукариот - около 100 п.н. В нем следует различать две части - базовую и дополнительную. Гены, имеющие только базовую часть промотора, функционируют в любых клетках организма и не подвержены ткане-специфичес-кому контролю. Эта часть служит для инициации транскрипции и точной ориентации РНК-полимеразы II относительно первого транскрибируемого нуклеотида. Дополнительная часть совместно с энхансерами используется для повышения эффективности транскрипции и регуляции активности гена.
Прокариоты (лат. Procaryota , от др.-греч. προ «перед» и κάρυον «ядро»), или доядерные - одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являютсяорганеллы эукариотических клеток - митохондрии и пластиды.
Прокариоты разделяют на два таксона в ранге домена (надцарства): Бактерии (Bacteria ) и Археи (Archaea ).
Для клеток прокариот характерно отсутствие ядерной оболочки, ДНК упакована без участия гистонов. Тип питания осмотрофный.
Генетический материал прокариот представлен одной молекулой ДНК, замкнутой в кольцо, имеется только один репликон. В клетках отсутствуют органоиды, имеющие мембранное строение. В геноме могут присутствовать мобильные генетические элементы, а у некоторых прокариот (например, вольбахия) их содержится необычно много. Изучение бактерий привело к открытиюгоризонтального переноса генов, который был описан в Японии в 1959 г. Это процесс широко распространен среди прокариот, а также у некоторых эукариот. Открытие горизонтального переноса генов у прокариот заставило по-другому взглянуть на эволюцию жизни. Ранее эволюционная теория базировалась на том, что виды не могут обмениваться наследственной информацией. Прокариоты могут обмениваться генами между собой непосредственно (конъюгация, трансформация) а также с помощью вирусов -бактериофагов (трансдукция).
Уникальные гены - это гены, которые встречаются в клетке два или несколько раз (до 10-20). Большинство исследователей считает, что у многоклеточных общее число генов в среднем равно сто тысяч и подавляющее их число - это уникальные гены. Характерная черта генов эукариотов - мозаичное экзон-интронное строение. Интроны, не несущие генетической информации, вырезаются (сплайсинг). Число и размер интронов у разных видов варьируется. Присутствие их в гене приводит к значительному увеличению размеров гена. Интроны стабилизируют экзоны, однако существует представление, что интрон - это так называемая «эгоистическая» ДНК, не дающая организму никаких эволюционных преимуществ. Экзоны контролируют синтез белков: 1 экзон - 1 домен .
К повторяющимся генам относятся прежде всего гены больших и малых рРНК и гистонов. Число их сильно варьирует и может достигать более 2000. Гены больших рРНК организованы в блоки, в которых последовательно идут гены 18S рРНК, 58S рРНК и 28S рРНК. Между ними имеются промежутки, различающиеся по длине у разных организмов. Межгенные участки имеют повторы разных типов, с необычной последовательностью, богатых парами ГЦ. Гены низкомолекулярных ядерных РНК блоков не образуют. Гены гистонов повторяются в геноме десятки (у млекопитающих), и сотни (у дрозофилы), и тысячи (у аксолотля) раз. Причем не удается уловить связи между этим показателем и положением организма на эволюционной лестнице.
Перестраивающиеся, или рекомбинирующие, гены - это гены, кодирующие легкие и тяжелые цепи белков иммуноглобулинов , выполняющих функции антител. Гены этих белков состоят из двух типов генов для легких и пяти типов - для тяжелых цепей. Легкие цепи кодируются тремя отдельными генетическими элементами, тяжелые - четырьмя. Перестройки генома приводят к соединению разных участков и в итоге - к образованию иммуноглобулинов разных классов.
Прыгающие гены, или транспозоны, - мобильные генетические элементы . Являясь нормальным компонентом генома, они составляют его значительную часть (у дрозофилы- 7% генома), могут быть представлены многими копиями, рассеянными по геному, и имеют варьирующую локализацию. Структура разных классов мигрирующих элементов (МЭ) варьирует, но для всех их характерно наличие на концах обращенных повторов. В середине МЭ могут иметь уникальные последовательности. МЭ проявляют высокую локусную специфичность, так как могут встраиваться в определенную последовательность на хромосоме.
Процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение.
Репликацию можно разделить на 4 этапа: образование репликативной вилки (инициация), синтез новых цепей (элонгация), исключение праймеров, завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК (терминация).
Определение тонкой структуры гена, т.е. его организации, а также принципы работы, т.е. регуляции активности (включение-выключение), первоначально были установлены для прокариотических клеток.
Эти работы выполнили Франсуа Жакоб и Жак Моно (1961; Нобелевская премия 1965). Согласно концепции Жакоба–Моно, единицей регуляции активности генов у прокариот является оперон. Оперон - функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят цистроны (единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки и объединенные под одним (или несколькими) промоторами, т.е. размеры оперона превышают размеры кодирующих последовательностей ДНК. Такая функциональная организация позволяет эффективнее регулировать экспрессию (проявление) этих генов.
В целом структура оперона включает: промотор, оператор, структурные гены, терминатор (рис.1).
П - Промотор – это регуляторный участок ДНК, который служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК.
С- Оператор – это регуляторный участок ДНК, который способен присоединять белок-репрессор, который кодируется соответствующим геном. Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать мРНК.
Т- Терминатор – это регуляторный участок ДНК, который служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза мРНК.
Транскрипция группы структурных генов, регулируется двумя элементами – геном-регулятором и оператором. Оператор часто локализуется между промотором и структурными генами; ген-регулятор может локализоваться рядом с опероном или на некотором расстоянии от него.
Если продуктом гена-регулятора является белок-репрессор, его присоединение к оператору блокирует транскрипцию структурных генов, препятствуя присоединению РНК-полимеразы к специфичному участку – промотору, необходимому для инициации транскрипции. Напротив, если белком-регулятором служит активный апоиндуктор, его присоединение к оператору создает условия для инициации транскрипции. В регуляции работы оперонов участвуют также низкомолекулярные вещества – эффекторы, выступающие как индукторы либо корепрессоры структурных генов, входящих в состав оперонов.
Опероны по количеству цистронов делят на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов).
Объединение функционально близких генов в опероны, видимо, постепенно сложилось в эволюции бактерий по той причине, что у них перенос генетической информации обычно осуществляется небольшими порциями (например, при трансдукции или посредством плазмид). Значение имеет само по себе сцепление функционально родственных генов, что позволяет бактериям приобретать необходимую функцию в один этап.
