БЛОЧНЫЙ ПРИНЦИП УСТРОЙСТВА ГЕНОВ ЭУКАРИОТ План 1. Альтернативный сплайсинг 2. Роль перестройки генов в дифференциров-ке клеток
1. Альтернативный сплайсинг В генах эукариот участки, несущие информацию о белках или их частях (экзоны), чередуются с некодирующими участ-ками (интронами). В процессе транскрипции с ДНК снимаются копии со всего гена, а участки, соответствующие интронам, вырезаются из пре. РНК (процессинг). Участки, соответствую-щие экзонам, – сшиваются (сплайсинг). Однако вырезание и соединение участков РНК может происходить неоднозначно, а несколькими (альтернативными) способами, причём вместе с интронами могут вырезаться и некоторые экзоны. Например, если ген содержит три экзона (обозначим их греческими буквами α, β, γ), то возможны следующие варианта сплайсинга: αβγ, αβ, αγ, βγ. Как самостоятельные гены могут функциони-ровать и отдельные экзоны. Таким образом, с одной и той же последовательности ДНК могут быть получены
Хороший пример - ген, кодирующий в паращитовидной железе гормон кальцитонин, рeгулирующий содержание в организме кальция, а в мозговых клетках он обусловливает образование нейропептида CGRP (calcitonin gene related protein), функция которого неизвестна. Способность гена кальцитонина к дифференцированной экспрессии заложена в его структуре. Он содержит 2 некодирующих и 4 кодирующих экзона, и 5 интронов (рис. 1). Интроны способствуют альтернативному сплайсингу и образованию из м. РНКпредшественника двух цитоплазматических м. РНК, имеющих общие 5'- и разные 3'-концы. Эти м. РНК определяют синтез двух пептидов, из которых в результате процессинга формируются активные гормоны — кальцитонин и нейропептид CGRР.
Рис 1. Альтернативный сплайсинг гена кальцитонина крысы: А — ген кальцитонина; Б — м. РНК: слева – в щитовидной железе, справа - в клетках головного мозга; В — белки-предшественники; Г — гормоны; СР — сайт связывания рибосом; ПА — сайт полиаденилирования; Cl, C 2, СЗ, С 4 — кодирующие экзоны; И — интроны
В семидесятых годах XX века было выдвинуто предположе-ние, что интроны играли важную роль в эволюции белков у дре-вних одноклеточных и даже доклеточных организмов. Новый белок получался за счет разных комбинаций уже существо-вавших кусочков – своеобразных строительных блоков, зако-дированных в экзонах. В пользу этой гипотезы говорит факт, что многие экзоны в ДНК соответствуют в белках их опреде-ленным участкам — доменам. На заре появления первых кле-ток новые белки возникали, вероятно, в результате соединения и закрепления в таком положении нескольких «отрезков» ДНК. Эволюция самих геномов может происходить не только и не столько за счёт точковых мутаций но также путём удвоения и перераспределения уже имеющихся генных блоков - экзонов. В описанном примере удаление интронов из прерывных генов происходит путем сплайсинга на уровне м. РНК-предшественника. Но известны случаи, когда сборка гена осущест-вляется на уровне ДНК. Это один из механизмов
2. Роль перестройки генов в дифференцировке клеток В организме каждого человека синтезируется до миллиона различных форм белков-иммуноглобулинов. Это разнообразие обеспечивает способность организма противостоять инфек-циям, распознавая практически любые чужеродные белки и клетки. Столь огромное разнообразие возникает за счет способ-ности генов, кодирующих иммуноглобулины, появляться в процессе созревания лимфоцитов из большого, но все же ограниченного числа небольших участков ДНК. Молекулы иммуноглобулинов состоят из двух легких (L) и двух тяжелых (Н) полипептидных цепей. В каждой из них различают две области (рис. 2). Область (С) существует в не-большом числе вариантов (2 варианта у легкой цепи и около 10 - у тяжёлой), и у многих молекул она одинаковая. Поэтому она получила название
Различные константные области тяжелой цепи (Сμ , Сγ , Сα и т. д. ) определяют класс иммуноглобулинов (Ig. M, Ig. G, Ig. A и т. д. ). С-область тяжелой цепи (СН) со-стоит из трёх (иногда четырёх) сходных по строению участков. В легкой цепи она представлена одним из таких участков. Вторая область (V) у каждой цепи уникальна, в связи с чем ее называют вариабельной. Именно взаимодействие V-областей тяжелой Рис. 2. Строение молекулы (VН) и легкой иммуноглобулина: (VL) цепей иммуноглобулинов обеспе. А — вариабельные части; Б — место чивает специфичность данного связывания антигена; В, Г — тяжеантитела. лая и легкая цепи: — S--S — дисуль. Разнообразие же антител фидная связь; F (ab ) , F(c) — фрагопределяется тем, что одна и та же менты, образующиеся при действии соответственно пепсина и папаина. константная область соединяется с различными
Иммуноглобулины продуцируются в крови Влимфоцитами. Каждая клетка в соответствии с произошедшими в ней геном-ными перестройками синтезирует строго определенный вид иммуноглобулина. В клетках ранних эмбрионов гены легких цепей иммуноглобулинов разъединены на сегменты V, J и С, а гены тяжелых — на сегменты V, D, J, Сμ, Сγ, Сα и т. д. Формирование вариабельной области генов легкой и тяжелой цепей происходит в процессе эмбрионального развития орга-низма на уровне ДНК путем объединения сегментов V, D и J. На этом этапе и определяется специфичность иммуногло-булинов, производящихся индивидуальными В-лимфоцитами. Различают два типа легких цепей - λ и κ. Каждой из них свой-ствен определенный набор V- и J-сегментов и специфичная константная область. У мыши, например, при образовании легкой κ-цепи происходит выбор между 600— 800 V-сегмен-тами и 4 J-сегментами. Сформировавшиеся VJ- и С-области транскрибируются
Рис 3. Образование индивидуальной м. РНК легкой (А) κ- и тяжелой (Б) γцепей иммуноглобулина мыши: а — генные сегменты недифференцированных, б - дифференцированных лимфоцитов; в - м. РНК-предшественник; г - м. РНК; д - формирование в ДНК вариабельной части гена иммуноглобулина на ранней стадии дифференцировки В-лимфоцитов; е — участок ДНК В-лимфоцита после переключения синтеза иммуноглобулинов Ig. M на синтез Ig. G
Транскрипция включается, по-видимому, за счет сближения промотора, располагающегося перед Vсегментом, и энхан-сера, который находится между Jсегментом и С-областью. Выбор определенных сегментов из классов V и J происходит случайным образом, но способ их объединения строго детерминирован. Это обусловливается специфичностью строения ДНК на 3'концах V-сегментов и 5'-концах J-сегментов: . . . V-ЦАЦАГТГ (11— 12 произвольных нуклеотидов) АЦАААААЦЦ (3')… … 5'ГГТТТТТГТ (21 -24 произвольных нуклеотида) ЦАЦТГТГ-J. . . (Последовательности идеализированы, т. е. наиболее вероятны). Нетрудно заметить, что гепта- и наномеры, располагающиеся на концах сегментов, попарно инвертированы (взаимно комплементарные последовательности подчёркнуты одинаковыми линиями). Поэтому в данных сайтах могут образовываться шпильки.
У оснований шпилек происходит внутримолекулярная рекомбинация, приводящая к соединению какого-либо Vсегмента с одним из J-сегментов, что возможно и в меж-, а также внутрикодонных точках (ферменты, ведущие рекомбинацию, пока не известны). Такое воссоединение вызывает изменение аминокислотных последовательностей в конце вариабельной области белка. Рассмотрим теперь, как образуется тяжелая цепь иммуно-глобулина (у мышей). В хромосоме зародышевых клеток, на определенных расстояниях друг от друга, располагаются груп-пы генных сегментов V (40 -80 сегментов), D (около 10) и J, а также различные С-области в заданном порядке (см. рис. 3). В этом случае в процессе дифференцировки В-лимфоцитов про-исходят два типа внутригенных перестроек. Прежде всего образуются VНобласти путем объединения генных сегментов V, D, и J с помощью делетирования ДНК в строго заданных сайтах, чтобы не нарушить рамку считывания генетического кода.
В ряде случаев объединяются V-J или V-D-J-сегменты. (Меха-низм таких внутригенных перестроек тот же, что и у генов легких цепей иммуноглобулинов). На этом этапе дифферен-цировки В-лимфоцитов уже происходит синтез первого класса антител (Ig. M) путем образования прем. РНК, ее процессинга и сплайсинга. На следующем этапе синтез переключается на образование иммуноглобулинов новых классов (последова-тельно Ig. G, Ig. A и т. д. ) при сохранении их иммуноспеци-фичности. Это осуществляют сайты-переключатели (Sμ, Sγ, Sα и т. д. ), располагающиеся между СН-частями. Предполагается, что имеются белки (Рμ, Рγ и т. д. ), которые "узнают" каждый свой сайт. Взаимодействуя друг с другом, они сближают эти сайты и производят в них специфическую рекомбинацию. В результате та же вариабельная область VDJ оказывается рядом с другой константной областью (например, Сγ) и, начинается синтез иммуноглобулина Ig. G с исходной специфичностью.
Как и в случае легкой κ-цепи, в гене тяжелой цепи между последним J-сегментом и сайтом Sμ располагается тканеспецифичный энхансер. Он и включает транскрипцию соответствующих генов (VDJCμ, VDJCγ, VDJCα и т. д. ) в зависимости от этапа дифференцировки В-лимфоцитов. В описанном случае сближение промоторов с энхансером путем перестройки генов является причиной дифференциации клеток. Иногда оно может привести и к дедифференцировке клеток. Например, многие виды раковых заболеваний вызы-ваются экспрессией так называемых онкогенов после их транслокации в необычные места клеточных хромосом. Обна-ружено, что один из типов рака лимфоидных клеток человека явился следствием переноса гена С-mус из 8 -й хромосомы в 14 ю. Этот ген внедрился в ген тяжелой цепи иммуноглобулина между последним VН сегментом и энхансером. Из-за соседства гена С-mус с энхансером происходит его транскрипция и, как результат, — перерождение клеток.
Скачать презентацию БЛОЧНЫЙ ПРИНЦИП УСТРОЙСТВА ГЕНОВ ЭУКАРИОТ План 1 Альтернативный
Геном_эукариот_3.ppt