Структура и экспрессия гена Ген структурная

Структура и экспрессия гена.

Ген — структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Термин «ген» был введён в употребление в 1909 году датским ботаником Вильгельмом Иогансеном. В 1920 году Ганс Винклер ввел понятие генома- совокупность генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосоме организмов одного биологического вида. Геном человека длиной 3, 3 млрд п. н. расшифрован в 2003 году, содержит примерно 20000 -28000 генов. Окончательное количество еще не установлено. Размеры генов варьируют от 250 п. н. (ген IGF 2 - инсулин-подобный фактор роста II, 67 аминоксилот) до 2 200 000 п. н. (ген DMD- дистрофин, 3685 аминокислот).

Классификация генов: Гены по компартментной локализации в клетке разделяются на ядерные и митохондриальные. Среди ядерных генов принято различать: • Белок кодирующие гены: o Гены «домашнего хозяйства» (репликация, репарация, синтез белка, синтез АТФ) o Гены терминальной дифференцировки кодируют специфические белки в конкретном клеточном типе и его фенотипах. o Гены факторов транскрипции контролируют активность генов «домашнего хозяйства» и генов клеточной дифференцировки. • Белок некодирующие гены: o Обеспечивающие синтез белка (р. РНК, т. РНК, мя. РНК) o Регулирующие синтез белка (mi. РНК)

Экзон-интронная модель строения эукариотического гена 1. Ген состоит из экзонов и интронов, начинается экзоном и заканчивается экзоном 2. Порядок расположения экзонов в гене совпадает с их расположением в м. РНК, интроны удаляются из первичного транскрипта и отсутствуют в зрелой м. РНК 3. На границе экзон-интрон имеется определенная постоянная последовательность нуклеотидов ГУ на 5` конце и на 3`-АГ

Экзон Участок гена (ДНК) эукариот, несущий генетическую информацию, кодирующую синтез продукта гена (белка). Соответствующие экзону участки ДНК, в отличие от интронов, полностью представлены в молекуле информационной РНК. Максимальное число в гене мышечного белка титина- 364. В среднем в гене- 8 экзонов. • Фактор инициации транскрипции 5`- ACTT(T/C)TG-3` входит в состав первого экзона. • Фактор терминации транскрипции (менее определенная последовательность) входит в состав последнего экзона.

Интрон — участок ДНК, который является частью гена, но не содержит информации о последовательности аминокислот белка. После транскрипции последовательн ости нуклеотидов, соответствующие интронам, вырезаются из незрелой м. РНК. Существуют две альтернативные теории, объясняющие происхождение и эволюцию сплайсосомных интронов: так называемые теории ранних интронов (РИ) и поздних интронов (ПИ). Теория РИ утверждает, что многочисленные интроны присутствовали в общих предках эу- и прокариот и, соответственно, интроны являются очень старыми структурами. Согласно этой модели, интроны были потеряны из генома прокариот. Также она предполагает, что ранние интроны способствовали рекомбинации экзонов, представляющих домены белков. ПИ утверждает, что интроны появились в генах относительно недавно и были инсертированы (вставлены) в геном после разделения организмов на про- и эукариоты. Эта модель основывается на наблюдении, что сплайсосомные интроны есть только у эукариот.

Для эукариотической клетки характерно: 1. Наличие интронов и экзонов в молекуле ДНК. 2. Созревание и-РНК - вырезание интронов и сшивка экзонов. 3. Наличие регуляторных элементов, регулирующих транскрипцию: Цис-регуляторные элементы (или цис-элементы) — участки ДНК или РНК, регулирующие экспрессию генов, находящихся на той же молекуле (обычно хромосоме). Цис-регуляторные элементы часто являются сайтами связывания одного или нескольких транс-факторов. Цис-элементы могут быть расположены upstream (то есть до) от кодирующей последовательности нуклеотидов регулируемого гена (например, таковы последовательности промоторных участков), в интроне, или downstream (то есть после) регулируемой последовательности нуклеотидов, либо в нетранслируемой или нетранскрибируемой области. Транс-регуляторные элементы — гены, которые изменяют экспрессию генов, находящихся на большом расстоянии. Как правило, транс-регуляторные элементы кодируют факторы транскрипции. Транс-регуляторные элементы действуют при помощи межмолекулярных взаимодействий между фактором транскрипции (белком) и участком ДНК, находящемся далеко от гена фактора транскрипции.

Регуляторные элементы: а) промоторы - 3 вида, на каждый из которых садится специфическая полимераза. РНК-полимераза I реплицирует рибосомные гены, РНК-полимераза II - структурные гены белков, РНК-полимераза III - гены, кодирующие небольшие РНК. Промоторы РНК-полимеразы I и РНК-полимеразы II находятся перед участком инициации транскрипции, промотор РНК-полимеразы III - в рамках структурного гена; б) (энхансеры) усилители - последовательности, усиливающие уровень транскрипции и действующие независимо от своего положения относительно кодирующей части гена и состояния начальной точки синтеза РНК; в) сайленсеры (успокаивать)- цис-негативные элементы, блокирующие экспрессию Энхансеры и сайленсеры локазизуются в 5` и 3` фланкирующих участках, интронах. Активность не зависит от их локализации. Могут находиться на больших расстояниях от промотора. г) терминаторы - специфические последовательности, прекращающие и трансляцию, и транскрипцию.

Способность клеток включать (активировать) или выключать (ингибировать) структурные гены крайне важна для поддержания клеточной специфичности и экономного расходования энергетических ресурсов. Отсюда и многообразие факторов транскрипции, имеющих белковую природу. Многие из них связываются непосредственно с нуклеотидной последовательностью длиной менее 10 п. н. , называемой по-разному: боксом, модулем, элементом инициации, регуляторным элементом. В отличие от прокариот у эукариот опероны в большинстве своем отсутствуют, т. е. каждый эукариотический структурный ген имеет свой собственный набор регуляторных элементов. Существенную роль в регуляции транскрипции у эукариот, помимо опосредованной взаимодействием между ДНК и белками, играют также белок-белковые взаимодействия. Несмотря на индивидуальность набора регуляторных элементов у структурных генов эукариот, каждый из них имеет промоторный участок (ТАТА-бокс, или бокс Хогнесса) из восьми нуклеотидов, включающий последовательность TATA; последовательность ССААТ (САТ-бокс); участок из повторяющихся динуклеотидов GC (GC-бокс). Эти элементы находятся на расстоянии 25, 75 и 90 п. н. от сайта инициации соответственно:

Генетический код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. В ДНК используется четыре азотистых основания — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), в РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом (U). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв. Белки практически всех живых организмов построены из аминокислот всего 20 видов

Свойства генетического кода: 1. Триплетность — три нуклеотида кодируют одну аминокислоту 2. Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. 3. Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки). 4. Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты —цистеин и селеноцистеин) 5. Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. 6. Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека

Транскрипция Инициация. Элонгация. Терминация. ДНК упакована в ядре в хроматине. Что бы белки активаторы и ферменты транскрипции достигли своих сайтов связывания на ДНК, хроматин должен «раскрыться» . Это достигается эпигенетическими процессами: метилирование/демитилирование ДНК; ацетилирование/деацетилирование гистонов.

Процессинг РНК (посттранскрипционные модификации РНК) — совокупность процессов в клетках эукариот, которые приводят к превращению первичного транскрипта РНК в зрелую РНК. Наиболее известен процессинг матричных РНК, которые во время своего синтеза подвергаются модификациям: кэпированию, сплайсингу и полиаденилированию. Кэпирование представляет собой присоединение к 5'-концу транскрипта 7 метилгуанозина через необычный для РНК 5', 5'-трифосфатный мостик, а также метилирование остатков рибозы двух первых нуклеотидов. Процесс кэпирования происходит во время синтеза молекулы пре-м. РНК. Кэпирование защищает 5'-конец первичного транскрипта от действия рибонуклеаз, специфически разрезающих фосфодиэфирные связи в направлении 5’→ 3 Функции кэпа и связанных с ним белков: участие в сплайсинге; участие в процессинге 3'-конца м. РНК; экспорт м. РНК из ядра; защита 5'-конца транскрипта от экзонуклеаз; участие в инициации трансляции. Полиаденилирование Фермент поли(А)-полимераза присоединяет 3'-концу транскрипта от 100 до 200 остатков адениловой кислоты. Полиаденилирование осуществляется при наличии сигнальной последовательности 5'- AAUAAA-3' на 3'-конце транскрипта, за которой следует 5'-CA-3'. Вторая последовательность является сайтом разрезания

Сплайсинг — процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании матричной, или информационной, РНК (м. РНК) уэукариот, при этом путём биохимических реакций с участием РНК и белков из м. РНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную последовательность участки — экзоны. Таким образом незрелая прем. РНК превращается в зрелую м. РНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки.

Сплайсинг происходит в ядре клетки. Информация, хранящаяся в двойной цепочке ДНК, переписывается на молекулу РНК, называемую предшественницей матричной РНК (пре-м. РНК). В молекуле прем. РНК есть участки, кодирующие белок (экзоны), и участки, не содержащие информации о белке (интроны). Молекулярная „машина“, называемая сплайсосомой, вырезает интроны и сшивает вместе экзоны. Образуется молекула матричной РНК (м. РНК), которая содержит информацию о белке. Через поры в мембране ядра молекулы м. РНК выходят в цитоплазму и попадают в рибосому, где происходит синтез белка. При альтернативном сплайсинге удаляются не только интроны, но и некоторые экзоны. В результате получается отличающийся вариант м. РНК, на основе которой в рибосоме синтезируется другой белок.

Как найти участок РНК, подлежащий удалению? На него указывают сигнальные последовательности нуклеотидов. Большинство интронов начинаются с пары нуклеиновых оснований GU (гуанин-урацил), а заканчиваются парой AG (аденин-гуанин). Особое значение имеет точка разветвления — основание А (аденин), которое находится на расстоянии 20– 30 пиримидиновых нуклеотидов от конца интрона.

Пример альтернативного сплайсинга у человека. Ген структурного белка тропомиозина даёт начало пяти разным вариантам этого белка, которые синтезируются в пяти разных тканях организма: скелетной мышце, гладкой мышце, фибробластах, печени и мозге.

Механизм синтеза малых интерферирующих РНК