Составляющие гена, его устройство и функционирование

Современные взгляды на устройство гена

В каждой клетке человека около 21 тысячи пар генов, т. е. всего порядка 42-х тысяч. В генах записана информация о структуре молекул РНК: матричной (кодирующей белки), рибосомной, транспортной и некоторых других видах так называемой некодирующей РНК (микроРНК). Средний размер гена в хромосоме — около 50 тысяч пар нуклеотидов. Самые короткие гены содержат всего два десятка нуклеотидов, например, гены эндорфинов — белков, вызывающих ощущение удовольствия. Гены интерферонов — белков, защищающих человека от вирусных инфекций, имеют размер около 700 нуклеотидов. Самый длинный ген, кодирующий один из белков мышц — миодистрофин, содержит 2,5 миллиона оснований, т. е. символов генетического кода.

В результате расшифровки генома человека сформировалось современное представление о структуре гена и его составляющих. Ген состоит из регуляторной и кодирующей зон, в которой, собственно, содержится информация о кодируемом белке или РНК. Роль регуляторной зоны — регуляция транскрипции, т. е. управление началом, скоростью и окон­чанием считывания информации в ответ на изменяющиеся условия среды и потребности организма. Сама регуляторная зона не транскрибируется. Важнейшим компонентом регуляторной зоны является промоторный участок — последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой для начала транскрипции. Промотор включает ряд мотивов, важных для узнавания его РНК-полимеразой, в частности, консен­сусные последовательности ТАТААТГ (ТАТА-боксы). Промотор асимметричен, что позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает, какая из двух цепей ДНК будет служить матри­цей для синтеза РНК.

Сайт-специфическое связывание транскрипционного фактора с ДНК

Рис. 1. Сайт-специфическое связывание транскрипционного фактора с ДНК

Управление промоторной частью гена осуществляется с помощью специальных белков — факторов транскрипции, в роли ко­торых часто выступают гормон-рецепторные комплексы (рис. 1).

Некоторые регуляторные белки у эукариот могут влиять на ско­рость транскрипции, даже если эти белки связываются с участками ДНК, расположенными за тысячи пар нуклеотидов от промотора. Эти участки получили название энхансерных (от англ. enhance — усили­вать) участков. Таким образом, энхансерные участки, расположенные в некодирующей ДНК, вдали от собственно генов, оказывают значи­тельное влияние на их работу.

Роль составляющих гена в процессе альтернативного сплайсинга

Новейшие данные о структуре и функционировании генов вно­сят серьёзные коррективы в представления, которые казались ясными и незыблемыми. Длительное время господство­вала гипотеза «один ген — один белок», при этом было понятно, что существует посттранскрипционная модификация белков и «на базе» исходного белка возможно появление ещё множества вариантов. Од­нако открытие явления, которое получило название альтернативного сплайсинга внесло ещё больше сложностей в понимание генетической детерминированности тех или иных признаков человеческого организма.

Как известно, почти все гены высших организмов состоят из участков, кодирующих белок (экзонов) и вставленных между ними некодирующих фрагментов (интронов). В ходе транскрипции сначала синтезируется матричная РНК-предшественник (пре-мРНК), пред­ставляющая собой полную копию всего гена, включая интроны. За­тем в процессе сплайсинга интроны один за другим «вырезаются» из молекулы РНК, а экзоны соединяются друг с другом. Оказалось, что существует несколько альтернативных вариантов сплайсинга для одной и той же мРНК. Дело в том, что часть экзонов может быть выре­зана вместе с прилегающими к ним интронами. В результате из одной и той же «незрелой» мРНК, содержащей, например, 7 экзонов (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), могут получиться разные «зрелые» мРНК, например, по схеме 1-2-3-5-7, 1-2-4-6-7, 2-3-4-5-6 и т. д. Разные мРНК станут затем матрицами для синтеза разных белков. Таким образом, благодаря механизму альтернативного сплайсинга один и тот же ген может коди­ровать множество (возможно, сотни) разных белков. То, какой именно белок будет «производиться» данным геном в каждой конкретной ситуации, зависит от сложных регуляторных систем, о которых пока ещё очень мало известно. У человека в регуляции сплайсинга участвуют 11 схожих между собой генов, которые так и называются — splicing regulators (SR). Таким образом, можно смело утверждать, что сегодня господствующей является гипотеза «один ген — много белков».

Новые знания о геноме и его функционировании ведут к тому, что наши представления о гене существенно изменились. Ген — это не обязательно компактный кодирующий участок ДНК. Разные части одного и того же гена могут находиться довольно далеко друг от друга. Имеются данные, что два соседних гена могут кодировать один «объединённый» белок. Огромное число генов не кодируют белки, но являются матрицей для множества небольших молекул РНК (микроРНК), которые обладают регуляторной активностью. Эти молекулы РНК, вероятно, очень важны для нормальной работы генома — они тоже ускоряют или тормозят транскрипцию, стабилизируют структу­ру хромосом, «отключают» гены при необходимости. Так что гипоте­зу «один ген — много белков» нужно трансформировать в «один ген — один транскрипт», понимая при этом, что в результате работы гена может получиться или белок, или только РНК. Всё многообразие РНК в клетках ещё предстоит изучить. Похоже, за многообразием белков стоит ещё большее многообразие РНК, т. е. новый горизонт, который предстоит охватить науке будущего.

Источник: Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Связанные статьи:

Основные свойства и характеристики генов

Размеры геномов различных организмов

Определение геномики, её направления

Генные и хромосомные болезни (синдромы) человека

Загрузка...

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Загрузка...