ОСНОВИ МЕДИЧНОЇ БІОЛОГІЇ - 2012

Будова гену про- та еукаріотів. Гени структурні, регуляторні, тРНК, рРНК

Будова гена

Ген є елементарною структурно-функціональною одиницею спадковості, що визначає розвиток певної ознаки клітини або організму. Ген - функціональна одиниця генетичної інформації; ділянка молекули ДНК (у деяких вірусів РНК), яка містить інформацію про послідовність амінокислоту молекулі поліпептида (білка) або послідовність нуклеотидів у молекулі рибонуклеїнової кислоти (рРНК чи тРНК).

Одним з основних положень генетики є положення про те, що всі ознаки і властивості організмів визначаються елементарними дискретними одиницями спадковості — генами (грец. genos-рід, походження). Гени передаються по спадковості, чим забезпечується структурно-функціональна наступність між поколіннями. Існування дискретних спадкових факторів вперше встановив Г. Мендель (1865). Датський генетик В.Иоганнсен назвав їх генами (1909). Проте В. Іоганнсен не пов’язував розташування генів у хромосомах клітинного ядра. Докорінних змін уявлення про ген набули в результаті робіт Т. Моргана і його учнів. Поняття гена в хромосомній теорії спадковості отримало матеріальне підґрунття.

Дж. Бідл і Е. Тайтем у 40-х роках у дослідах на грибку (Neurospora crassa) експериментально обґрунтували гіпотезу «один ген - один білок». У подальшому було встановлено, що чимало білків складаються з кількох поліпептидних ланцюгів, синтез яких кодується окремими генами. Гіпотеза «один-ген - один білок» одержала сучасний зміст: «один ген - один поліпептид». За пропозицією американського фізика і генетика С. Бензера в 1957р. були введені три нові поняття гена: рекон, мутон і цистрон. Найменшу функціональну одиницю генетичного матеріала, яка кодує синтез певного поліпептиду С. Бензер назвав цистроном. Один цистрон кодує один поліпептид. Терміни "цистрон" і "ген" вживаються практично як синоніми. Ген має складну будову і здатний до мутацій і рекомбінацій. Найменшу ділянку цистрона, зміна якої може спричинити мутацію, С. Бензер назвав мутоном (одиниця мутації), а найменшу ділянку, яка не ділиться шляхом рекомбінації - реконом (одиниця рекомбінації). Мутон, як і рекон, дорівнює одній парі нуклеотидів.

Кожна інтерфазна хромосома має одну молекулу ДНК, що містить велику кількість генів. Розмір генома (ДНК) людини - 3,5x10⁹пар нуклеотидів, що є достатнім для утворення близько 1,5 млн. генів. Разом з тим, за оцінками експертів, у геномі людини лише 35 - 40 тис. генів. Це означає, що більша частина ядерної ДНК не транслюється в амінокислотну послідовність. За сучасними даними, тільки 1-2 % ДНК клітин людини містить інформацію для кодування білків організму. Більша частина ДНК знаходиться у репресованому (неактивному) стані: значна частина геному використовується при здійсненні процесів ембріонального розвитку, диференціювання, росту і подалі не транскрибується; інша частина входить до складу нітронів; більша частина ДНК - чисельні повтори послідовностей, які не транскрибуються (сателітна ДНК). Таким чином у геномі еукаріотів розрізняють унікальні і повторювані послідовності нуклеотидів ДНК. Унікальні послідовності представлені в геномі однією єдиною копією. Вони складають основну частину генів і займають у людини половину генома. Повторювані послідовності представлені копіями (від 2 до 10⁷). Виділяють помірно повторювані і високоповторювані послідовності. Помірно повторювані послідовності мають не більше 10⁶ копій, чергуються з унікальними послідовностями нуклеотидів і характеризуються наявністю інвертованих повторів (паліндромів). Високо повторювані послідовності - це короткі ділянки довжиною від 5 до 500 пар нуклеотидів, які розташовані один за одним (тандемно). Такі послідовності утворюють кластери, що містять до 10 млн. копій і складають фракцію сателітної (супутникової) ДНК. Ця фракція локалізована в районах конститутивного хроматину, переважно прицентромерного і теломерного, генетично інертна (не транскрибується), у людини займає 12 % генома.

За хромосомною теорією спадковості, у хромосомах гени розташовані в певній послідовності в лінійному порядку (один за одним) і не перекриваються. Кожний ген займає певне місце - локус. З цього правила стали відомі винятки - перекриваючі гени. Явище перекривання генів ("ген всередині гена") виявлене в бактеріофага 0X174, інших вірусів. Теломерні та центромерні ділянки хромосом не мають генів.

За способом організації нуклеотидів у ДНК, її можна поділити на такі фрагменти:

1) Структурні гени - несуть інформацію про структуру певних поліпептидів. З цих ділянок ДНК транскрибується іРНК.

2) Регуляторні гени - контролюють та регулюють процес біосинтезу білка.

3) Сателітна ДНК містить велику кількість повторювальних груп нуклеотидів, що не мають змісту і не транскрибуються. Поодинокі гени серед сателітної ДНК мають регуляторну або підсилювальну дію на структурні гени.

4) Спейсерна ДНК - великі ділянки ДНК, які не транскрибуються, їх роль до кінця не з’ясована. Спейсерні ділянки найчастіше знаходяться між клатерами генів.

5) Кластери генів - це групи різних структурних генів у певній ділянці хромосоми, об’єднані загальними функціями.

6) Повторювальні гени - один і той самий ген багаторазово повторюється (декілька сотень разів), не відокремлюючись один від одного. Прикладом є гени рРНК.

Структура генів еукаріотів. Встановлення структури генів еукаріотів є одним з головних відкриттів кінця ХХ ст. Доведено, що структурний ген, який кодує білок, має складну будову.

Організація гену еукаріот на прикладі гена β-ланцюга гемоглобіну.

Промотор — ділянка регуляторної частини гену, до якої приєднується фермент РНК-полімераза. Він включає неспецифічну ділянку ТАТА-блок, де виділяють ділянки (сайти): сайт-впізнавання, сайт-зв’язування, сайт-ініціації.

За промотором знаходиться ділянка зв’язування з факторами регуляції транскрипції - оператор (О). Далі розташована послідовність КЕП (ТТГЦТТАЦ), на якій ініціюється транскрипція і утворюється 5'-початкова ділянка РНК (сайт-ініціації транскрипції). Далі розташований кодон ТАЦ (сайт-ініціації трансляції), який визначає в молекулі і-РНК кодон АУГ.

Між цими сайтами знаходиться ділянка ДНК (50 п.н.), яку називають лідерною послідовністю, а далі структурна частина гену. На його початку екзон (Е₁) з 50 п.н., що кодує перші 30 амінокислот β-ланцюга гемоглобіну, за ним інтрон (І₁), який складається з 130 п.н., далі Е₂, І₂...

Ділянка термінації починається кодоном ТАА і за ним трейлер і сайт поліаденілування (ААТААА), який необхідний для утворення в РНК послідовності полі-А з 200...300 аденілових нуклеотидів. Транскрипція припиняється. Далі послідовність — термінатор транскрипції (близько 1000 п.н.).

Також на відстані 600...900 п.н. від полі-А сайта розташований енхансер (ділянка, яка прискорює зчитування інформації).

Таким чином, в структурі гену закодована інформація не тільки про структуру поліпептиду, а й про процесі транскрипції, структуру і-РНК, трансляції.

Властивості генів - дискретність, стабільність, поліалелізм, специфічність, плейотропія. Дискретність - розвиток різних ознак контролюється різними генами, локалізація яких в хромосомах не співпадає. Стабільність - при відсутності мутацій ген передається в ряду поколінь у незміненому вигляді. Поліалелізм (множинний алелізм) - наявність у популяції більше двох алелей того самого гена. Специфічність - кожний ген зумовлює розвиток певної ознаки або групи ознак. Плейотропія - здатність одного окремого гена контролювати розвиток кількох ознак (синдром Марфана).

Мобільні (мігруючі) генетичні елементи (МГЕ) - це послідовності нуклеотидів ДНК, здатні до переміщення (транспозиції) всередині даного генома або між геномами. Вони виявлені в геномах вірусів, бактерій, дріжджів, дрозофіли, мишей, ін. З ними пов'язують виникнення мутацій і варіацій. Завдяки МГЕ організми можуть одержувати готові гени від інших організмів, що має значення для еволюції. МГЕ вперше виявила американський генетик Б. Мак-Клінток (1947), вивчаючи забарвлення насіння у кукурудзи, і назвала їх "контролюючими елементами" (Нобелівська премія, 1983). Власного фенотипового вираження вони не мають і проявляються завдяки змінам тих генів, у локусах яких знаходяться або впливають на відстані.

Вважають, що існує не менше двох способів переміщення МГЕ. Перший з них пов'язаний з вирізанням мобільного елемента в одному місці хромосоми і вбудовуванням його в іншому місці. При другому способі переміщення мобільний елемент зберігає своє вихідне положення, але утворює свою копію з наступним вбудовуванням її в іншому місці.

Біологічний (генетичний) код та його властивості — система розташування пар нуклеотидів в молекулі ДНК, яка визначає послідовність амінокислот в молекулі білка. Різноманіття білкових молекул визначається набором і послідовністю розміщення амінокислот у поліпептидних ланцюгах. Послідовність амінокислот, яка визначає властивості білка закодована в молекулі ДНК за допомогою біологічного коду. В 1954 році Г. Гамов припустив, що кодування в молекулі ДНК амінокислот здійснюється сполученням декількох нуклеотидів. На протязі останніх декількох років було експериментально доведено, що генетичний код триплетний.

Кодування кожної амінокислоти здійснюється трьома нуклеотидами — триплетами, які знаходяться в структурній частині гену. Кількість можливих варіантів триплетів, які утворюються з чотирьох нуклеотидів, дорівнює 64 (4 ). З них тільки 61 триплет кодує амінокислоти білків. Цього достатньо, щоб закодувати 20 найбільш розповсюджених в природі амінокислот, які входять до складу білків. Три триплети — беззмістовні або нонсенс-триплети (УАА, УАГ, УГА), вони не кодують амінокислот, а визначають завершення трансляції (синтезу поліпептиду).

Властивості генетичного коду:

1. Триплетність: один триплет нуклеотидів (кодон) кодує одну амінокислоту.

2. Специфічність: кожен вид триплету визначає одну амінокислоту.

3. Виродженість (надлишковість): деякі амінокислоти кодуються декількома триплетами. Наприклад, фенілаланін кодують 2 триплети (УУУ, УУГ), а серін — 6 триплетів (УЦУ, УЦА, УЦЦ, УЦГ, АГУ, АГЦ).

4. Неперекривність: кожен нуклеотид входить до складу тільки одного триплету: А А Т — Г Г Ц — Т Т А).

5. Генетичний код зчитується триплет за триплетом. Генетичний код має беззмістовні кодони.

6. Стоп-кодони (УАА, УАГ, УГА), які не кодують амінокислоти, визначають термінацію (закінчення зчитування інформації з РНК під час трансляції).

7. Колінеарність: поліпептид і ген, який його кодує є колінеарним, оскільки послідовність амінокислот в молекулі білку відповідає послідовності нуклеотидів в гені.

8. Універсальність: генетичний код однаковий у всій живій природі. Конкретний кодон в ДНК або РНК визначає одну й ту ж амінокислоту в білкових системах всіх живих систем від вірусу до людини. Але існують певні виключення:

Незначні відмінності генетичного коду встановлені для вірусів, для ДНК мітохондрій деяких видів. Наприклад, триплет АЦТ (нонсенс-кодон) визначає амінокислоту триптофан (читається як АЦЦ). У дріжджів триплет ГАТ кодує треонін. У ссавців кодон ТАГ кодує меніонін замість ізолейцину, а триплет ТЦГ і ТЦУ в мітохондріях деяких видів є нонсенс- кодонами.

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

Перші нуклеотиди - кодони РНК, в дужках - кодони ДНК.