Будова гена
МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ
Розділ 1
БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ
1.2. Молекулярно-генетичний і клітинний рівні організації життя
1.2.3. Спадковий апарат еукаріотичних клітин і його функціонування на молекулярному рівні
1.2.3.8. Будова гена
Ген є елементарною структурно-функціональною одиницею спадковості, що визначає розвиток певної ознаки клітини або організму. Внаслідок передачі генів у ряді поколінь забезпечується спадкоємність ознак батьків.
Г. Мендель був першим, хто в 1865 р. стверджував про одиницю спадковості,
Більша частина генів клітин знаходиться в репресованому (неактивному) стані. Приблизно 5-10 % генів дерепресовані (активні) і можуть бути транскрибовані. Кількість і якість функціонуючих генів залежить від тканинної належності клітин, періоду їх життєвого циклу і стадії індивідуального розвитку.
Організація генів еукаріотпів у хромосомах.
Кожна інтерфазна хромосома має одну молекулу ДНК, що містить велику кількість генів (рис. 1.61). Геном людини містить 3,5 х 109 нуклеотидних пар, яких достатньо для утворення 1,5 млн. генів. Однак дослідження показують, що організм людини має приблизно 35000-40000 генів. Це означає, що в організмі використовується тільки близько 1 % нуклеотидних послідовностей ДНК, тільки 1 % записаної інформації. Значна частина геному використовується для здійснення процесів ембріонального розвитку, диференціювання, росту і надалі не експресується. Інша частина надлишкової ДНК входить до складу інтронів. І ще більша частина ДНК подана численними повторами послідовностей, що не мають змісту (сателітна ДНК) (рис. 1.62). Таким чином, ДНК еукаріотів можна розділити на два типи послідовностей нуклеотидів. Це неповторювані (унікальні) та повторювані послідовності. До першого типу відносяться гени, що кодують білки. Повторювані послідовності зустрічаються з частотою від 2 до 107 на одну клітину. У ссавців більше половини геномної ДНК належить до типу унікальних послідовностей.
Рис. 1.61. Розташування генів в інтерфазній хромосомі.
Рис. 1.62. Структурна організація нуклеотидних послідовностей (генів) у ДНК:
1 – повторювані групи (кластери) структурних генів (наприклад, гістонових білків); 2 – міжгенна (спейсерна) ділянка; З – ділянка з великою кількістю повторів (сателітна ДНК);
4 – ділянки регуляції активності структурного гена (регуляторний ген); 5 – структурний ген; 6 – екзони; 7 – інтрони; 8 – ДНК; 9 – повторювані гени.
Гени в ДНК розташовані у лінійному порядку. Кожний ген має своє місце розташування (локус). Теломерні та центромерні ділянки хромосом не містять генів. Аналогічне розташування алелів характерне для гомологічної хромосоми.
За способами організації нуклеотидів у ДНК, її можна розділити на такі фрагменти: 1) структурні гени; 2) регуляторні гени; 3) сателітна ДНК; 4) спейсерна ДНК; 5) кластери генів; 6) повторювані гени.
У залежності від структури та функцій нуклеотидні послідовності можуть бути кількох типів.
Структурні гени несуть інформацію про структуру певних поліпептидів. Із цих ділянок ДНК транскрибується ІРНК, яка спрямовує синтез білків. Регуляторні гени контролюють і регулюють процес біосинтезу білка. Сателітна ДНК містить велику кількість повторюваних груп нуклеотидів, що не мають змісту і не транскрибуються. Поодинокі гени серед сателітної ДНК, звичайно, мають регуляторну або посилювальну дію на структурні гени. Кластери генів – це групи різних структурних генів у певній ділянці хромосоми, об’єднані загальними функціями. Наприклад, кластери п’ятьох різних гістонів повторюються 10-20 разів. Між такими кластерами знаходяться великі спейсерні ділянки, що не транскрибуються. їх роль до кінця не з’ясована.
Повторювані гени – один і той самий ген багаторазово повторюється (декілька сотень раз); не відокремлюючись один від одного, вони створюють тандеми. Наприклад, гени рРНК.
Молекулярна організація генів еукаріотів. Встановлення структури генів еукаріотів є одним із головних відкриттів кінця XX ст. Доведено, що структурний ген, який кодує білок, має дуже складну будову. Розглянемо принцип його організації на прикладі гена (3-ланцюга гемоглобіну (рис. 1.64). На початку гена розташовані ділянки регуляції гена. Спочатку розташована ділянка промотора, відповідальна за приєднання РНК-полімерази та наступної ініціації транскрипції. Неспецифічні ділянки регуляції називають ТАТА-БОКС, що складається з багаторазово повторюваного тиміну й аденіну. Встановлено, що РНК-полімераза приєднується до цієї послідовності так, що її активний центр розташовується над першим нуклеотидом, що зчитується. Ця ділянка складається із саиту-розпізнавання, сайту-зв’язування і сайту-ініціації. Комбінація нуклеотидів у промоторі специфічна і при порушенні рамки зчитування утворює “стоп”-кодони, що призводить до припинення транскрипції. У ділянці промотора розташований оператор, який може приєднувати фактори регуляції транскрипції. Далі розташована КЕП-послідовність ТТЩТТАЦ, на якій ініціюється транскрипція й утворюється 5′-початкова ділянка РНК (сайт-ініціації транскрипції). Згодом розташований кодон ТАЦ (сайт-ініціації трансляції) з’являється в утвореній іРНК. Між сайтом транскрипції і сайтом трансляції лежить проміжна ділянка ДНК, що складається з 50 пар основ і називається лідерною послідовністю. Далі з’являється частина структурного гена, що складається з екзонів і інтронів. Спочатку розташований екзон, що містить 90 пар основ, які кодують з першої по 30 амінокислоти Р-ланцюга гемоглобіну. Далі знаходиться інтрон, що складається із 130 пар основ, він не кодує амінокислоти. За ним міститься екзон, що складається із 222 пар основ, що кодують амінокислоти з 31 по 104. Далі розташований інтрон, що складається з 850 пар основ, за ним екзон, що містить 126 пар основ, які кодують амінокислоти 105-146. Після цього – кодон-термінації трансляції ТАА Потім трейлер і сайт поліаденілування ААТААА, який необхідний для приєднання до РНК-транскрипту “хвоста” полі-А, який складається приблизно з 200-300 аденілових залишків. Ця ділянка ДНК необхідна для припинення транскрипції. Послідовність термінатора транскрипції починається відразу за полі-А ділянкою і складається приблизно із 1000 нуклеотидів. Ця послідовність разом із полі-А зупиняє процес транскрипції. У межах послідовності транскрибуючого 3′-кінця ДНК на відстані 600-900 нуклеотидів від полі-А сайта розташована ділянка послідовностей енхансера. Ця ділянка має регуляторну активність. Вона необхідна для тимчасової і просторової організації експресії гена В-ланцюга гемоглобіну.
Функціональні характеристики гена.
1. Гени є дискретного складовою одиницею спадкового матеріалу – ділянкою ДНК.
2. Певний ген кодує синтез одного білка. Окремий білок може зумовлювати певну ознаку. Так формуються моногенні ознаки.
3. Клітина, орган або організм мають багато ознак, які складаються із взаємодії багатьох генів, – це полігенні ознаки.
4. Дія гена специфічна, тому що ген може кодувати тільки одну амінокислотну послідовність і регулює синтез одного конкретного білка.
5. Деякі гени мають таку властивість як плейотропність дії, визначають розвиток кількох ознак (наприклад, синдром Марфана).
6. Дозованість дії гена залежить від інтенсивності прояву ознаки (експресивність) та від кількості певного апеля (наприклад, багато хвороб у гетерозиготному стані виявляються менше, ніж у гомозиготному).
7. На активність гена може впливати як зовнішнє, так і внутрішнє середовище.
8. Конститутивні гени – це гени, що постійно експресуються, тому що білки, які ними кодуються, необхідні для постійної клітинної діяльності. Вони забезпечують синтез білків рибосом, цитохромів, ферментів гліколізу, переносників іонів тощо. Ці гени не потребують спеціальної регуляції.
9. Неконститутивні гени – це гени неактивні, але вони експресуються тільки тоді, коли білок, який вони кодують, потрібний клітині. Ці гени регулюються клітиною або організмом. Синтезовані за їх участю білки забезпечують диференціювання і специфічність структури та функцій кожної клітини.
10. Сегменти ДНК можуть бути також класифіковані за допомогою процесів, у яких вони беруть участь: а) цистрон – ділянка ДНК, що містить інформацію про синтез одного білка; б) мутон – найменша одиниця гена, що зазнає мутації; в) рекон – найменша ділянка ДНК, у межах якої відбувається рекомбінація; г) транспозон – мобільний спадковий елемент у молекулі ДНК.
Мобільні генетичні елементи. Тривалий час вважали, що всі нуклеотидні послідовності мають стале розташування й опосередковано, через іРНК, беруть участь у синтезі поліпептидів.
Американський вчений-генетик Барбара Мак-Клінток (рис. 1.63), вивчаючи природу різного забарвлення зерен кукурудзи в одному качані, зробила припущення, що існують так звані мобільні гени, які контролюють пігментацію зерен. Цей ген розташований в гетерохроматинній ділянці хромосоми, і коли він перебуває поруч з геном, відповідальним за пігментацію, то блокує його дію. Стрибаючий ген (хромосомний дисоціатор) регулярно викликає розриви у суміжних з ним ділянках хромосом. Справедливість такої гіпотези була експериментально підтверджена на інших генетичних моделях (дрозофіли, миші та ін.)
Рис. 1.63. Б. Мак-Клінток (ВагЬага McClintock) (нар. у 1902 р.)
ДНК багатьох видів містять мобільні (рухомі) генетичні елементи – послідовності, здатні “стрибати” з одної ділянки ДНК в іншу і в цих нових місцях залишати свої копії, збільшуючи тим самим генетичний матеріал. Така думка була спростована повідомленнями, що лише невелика частина ДНК (у клітинах людини близько 1 %) дійсно кодує білки. Доведено, що в межах молекули ДНК існують некодуючі нуклеотидні послідовності, які не містять ніякої інформації щодо білкового продукту.
Кожний з мобільних генів складається з декількох тисяч ланок. На обох кінцях такого елементу розташовані однакові ділянки. Вони забезпечують рухливість генів і включають ген у роботу.
Мобільні генетичні елементи забезпечують підвищений синтез РНК і виконують наступні функції:
– є важливим фактором біологічної еволюції;
– утворюють новий генетичний матеріал, який може використовуватися для формування нових генів;
– впливають на мінливість організму;
– порушують роботу генетичного апарату, що призводить до утворення ракових клітин.
