По функциям гены классифицируют на структурные и функциональные. Структурные гены содержат информацию о белках-ферментах, гистонах, о последовательности нуклеотидов в разных видах РНК.

Функциональные гены оказывают влияние на работу структурных генов. Функциональными являются гены-модуляторы и гены-регуляторы. Гены-модуляторы – это ингибиторы, интенсификаторы, модификаторы. Они усиливают, ослабляют или изменяют работу структурных генов. Регулируют работу структурных генов гены-регуляторы и гены-операторы .

Генотип всех соматических клеток организма одного вида одинаков. Но клетки разных тканей отличаются друг от друга. Вероятно, это связано с тем, что в них работают разные блоки генов. Область проявления действия данного гена называется полем его действия (например, распределение волосяного покрова на теле человека). Как правило, гены, детерминирующие определенные признаки, «работают» непостоянно (например, гены, определяющие синтез половых гормонов); их функция значительно снижается с возрастом. Период функционирования гена называется временем его действия .

По месту действия гены подразделяют на три группы

1) функционирующие во всех клетках (например, гены, кодирующие ферменты энергетического обмена);

2) функционирующие в клетках одной ткани (детерминирующие синтез белка миозина в мышечной ткани);

3) специфичные для одного типа клеток (гены гемоглобина в незрелых эритроцитах).

Гены выполняют в клетке две основные функции.

Гетеросинтетическая функция – это программирование биосинтеза белка в клетке.

Аутосинтетическая функция – репликация спирали ДНК (самоудвоение ДНК).

После открытия структуры ДНК долгое время полагали, что бактериальная хромосома представляет собой чистую ДНК в виде двойной спирали. Однако позднее выяснилось, что хромосома прокариот содержит в своей структуре примерно 20% белков. Их роль - обеспечить определенную компактизацию и прикрепление ДНК к оболочке бактерии. В настоящее время белки прокариотической хромосомы известны. Показано, что мутации в соответствующих генах не приводят к заметным фенотипическим проявлениям. По-видимому, роль этих белков вспомогательная, и они могут заменять друг друга в создании определенной структуры. Таким образом, прокариоты, в отличие от эукариот, не имеют высокоспециализированной системы организации хромосомы.

Хромосома эукариот состоит в основном из белков (50-60%) и ДНК, с незначительным количеством молекул РНК (до 10% от количества ДНК). Белки можно подразделить на гистоновые (половина или большая доля белков хромосомы) и негистоновые. В свою очередь гистоновые белки, доля которых в структуре хромосомы составляет до 80%, делятся на 5 основных классов: НЗ, Н4, Н2А и Н2В и Н1. Негистоновые белки (по большей части кислые, в отличие от гистонов) представлены большим количеством различных видов. Показано, что все они участвуют в образовании структур надмолекулярного уровня. Хромосомная ДНК эукариотической клетки упакована исключительно компактно. Например, самая маленькая хромосома человека - 22, содержит примерно 4.6*107 п.н., что соответствует длине 1,4 см. Во время митоза эта хромосома укорачивается до 2 мкм, т.е. становится в 7000 раз компактнее. Очевидно, чтобы достичь такой плотности упаковки и сохранить эффективность основных генетических процессов (как правило, связанных с локальной распаковкой), структура хромосомы должна иметь несколько уровней организации. Вещество хромосомы - хроматин. В этом термине подчеркивается способность вещества хромосомы к окрашиванию, видимое уже на стадии интерфазы. Химическая структура хроматина различается подлине хромосомы, а сам хроматин претерпевает различные уровни своей упаковки от интерфазы до метафазы клеточных делений.

Существуют две наиболее известные модели, объясняющие механизм упаковки хроматина. Согласно одной из них, наиболее известной в зарубежной литературе, нить ДНК претерпевает пять уровней компактизацни от 2 нм (ее собственный диаметр) до 1400 нм (высококонденсированная метафазная хромосома).

Низшим уровнем иерархической организации хромосом считается нуклеосомный. Нуклеосома состоит из кора (сердцевины, стержня) и намотанной на негоДНК(146 п.н„ 1,8 витка). Кор представляет собой гистоновый октамер Н2А, Н2В, НЗ, Н4 (по две молекулы каждого). Хроматин на этой стадии имеет вид «бусин» (глобул диаметром 11 нм), нанизанных на «нить» (молекулярную ДНК). Такая структура обеспечивает компактизацию примерно в 6-7 раз.

Вторая ступень компактизации - формирование хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм. В этом процессе участвует гистон HI, который связывается с ДНК между нуклеосомными корами и сворачивает нуклеосомную фибриллу в спираль, наполобие соленоида, с шагом в 6-8 нуклеосом. Уровень компактизации на этом этапе достигает примерно 40.

Третий этап - петельно-доменный - наиболее сложный. Соленоидная фибрилла складывается, образуя петли различной длины. Общий уровень компак-тизации возрастает до 1000, но, очевидно, может различаться в различных районах хромосомы. Диаметр такой структуры в среднем составляет 300 нм., по-видимому, она наиболее типична для интерфазной хромосомы.

На четвертом этапе компактизации 300 нм-фибриллы дополнительно сворачиваются, образуя хроматиды диаметром примерно 600-700 нм.

Последняя, пятая, ступень компактизации (в 7000 раз) характерна для метафазной хромосомы; ее диаметр равен 1400 нм. Известна и другая схема компактизации хроматина, предложенная Ю.С. Ченцовым. Она основана на данных световой и электронной микроскопии. Согласно этой модели первым уровнем также является нуклеосомный. На втором этапе 8-Ю нуклеосом образуют глобулу, называемую нуклеомером. Ряд сближенных нуклсомеров формируют 20-30-нанометровую фибриллу. Третий уровень - хромомерный. Петли фибрилл ДНП, скрепленные негистоновыми белками, образуют розетковидные структуры. На четвертом - хромонемном уровне происходит их сближение с образованием структур, состоящих из петлевых доменов. Предполагается, что на следующем, пятом, уровне компактизации, характерном для хроматид, происходит спиральная укладка хромонемных нитей.

В ДНК заложена биологическая информация, составляющая программу развития клетки организма.

Основная биологическая функция ДНК заключается в хранении, постоянном самовозобновлении, самовоспроизведении и передаче генетической информации в клетке.

Геном – совокупность генов в клетках с гаплоидным набором хромосом. Геном видоспецифичен и содержит у человека 3 · 10 9 пар нуклеотидов. Включает 80-100 тысяч генов. Общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом 174 см. В геноме человека 23 группы сцепления у женщин и 24 группы сцепления у мужчин, за счет наличия в 23 паре хромосом Х или Y- хромосом, а у женщин только Х и Х хромосомы.

В настоящее время все гены по функциям подразделяются: I — структурные ; II – функциональные .

I . Структурные гены – их насчитывается 35 — 40 тысяч и несут информацию:

  • о белках ферментах,
  • о гистонах,
  • о последовательности нуклеотидов в различных видах РНК.

По строению структурные гены подразделяются на:

  • независимые гены или уникальные,
  • повторяющиеся гены,
  • прерывистые гены.

Независимые гены – это гены, транскрипция которых не связана с транскрипцией других генов. Их активность может регулироваться гормонами.

Повторяющиеся гены – это гены один, из которых может находиться в виде повторов, повторяясь много сотен раз, вплотную следуя друг за другом. Сотни повторов одного гена называются тандем .

Семейства генов – это группа генов кодирующих один пептид. Например: 4 гена альфа-глобиновой цепи гемоглобина расположены в 16 хромосоме и образуют одно семейство. Второе семейство генов бета-глобиновой цепи гемоглобина находятся в 11 хромосоме.

Умеренно повторяющиеся последовательности могут составлять от 1% до 90% всего генома, т. е. работающей ДНК всего 10%.

Кластеры генов – это группы различных генов расположенных в определенных локусах хромосом и объединенных общими функциями. Например, гистоновые белки H2A, H2B, H3, H4.

Прерывистые гены – такие гены, в которых есть кодирующие и не кодирующие последовательности триплетов. Это отличительная черта строения многих генов эукариот, получившая название «мозаичность», т.е. прерывистость структуры смысловой части генов. В геноме человека наряду с прерывистыми генами есть гены цистронной структуры (все триплеты кодирующие), например гены тРНК, рРНК.

II . Функциональные гены подразделяются:

  • гены – модуляторы, усиливающие или ослабляющие действие структурных генов (ингибиторы, интеграторы, модификаторы);
  • гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторы, операторы и гены пунктуации);
  • онкогены – это клеточные или вирусные гены, экспрессия которых может привести к развитию новообразований;
  • протоонкогены – нормальные клеточные гены, усиление или изменение функции которых превращает их в онкогены;
  • опухолевые супрессоры – клеточные гены, контролирующие этапы клеточного цикла, инактивация которых резко увеличивает вероятность возникновения новообразований; восстановление их функции, наоборот, может подавить рост опухолевых клеток.

Регуляция экспрессии генов прокариот по типу индукции и корепрессии (модель оперона).

Общие принципы генетического контроля экспрессии генов

Активация структурных генов происходит с помощью гена – регулятора и гена – оператора. В обычных условиях ген – регулятор активен и синтезирует белки – регуляторы. Если белок – регулятор взаимодействует с оператором, занимающим часть промотора при этом РНК- полимераза не может соединиться с промотором, транскрипция не идёт. Такой белок называется репрессором, контроль экспрессии генов – негативным. Если область оператора расположена перед промотором, связывание РНК-полимеразы с промотором облегчается белком — регулятором и оператор запускает транскрипцию со структурных генов. Такие белки называются активаторами, контроль экспрессии генов – позитивным.

Роль негенетических факторов в регуляции генной активности

Регуляция экспрессии генов на стадии транскрипции может осуществляться и негенетическими факторами, так называемыми эффекторами. К ним относятся вещества небелковой природы. При взаимодействии с белками – регуляторами, они изменяют их способность соединятся с оператором. Оператор остается свободным, запускает транскрипцию со структурных генов, эффектор выполнил роль индуктора (побудителя). Эффекторы могут также играть роль корепрессоров, препятствуя транскрипции. Они переводят белок – репрессор в активное состояние, который блокирует оператор, и транскрипция прекращается.

Регуляция экспрессии генов у прокариот

Механизмы регуляции были изучены у микроорганизмов французскими учеными Ф. Жакоб и Ж. Моно в 1961 г. Они предложили оперонную модель регуляции транскрипции прокариот. Оперон – это блок тесно связанных структурных и функциональных генов (промотор, оператор, терминатор). Последовательность структурных генов определяет синтез группы белков, учавствующих в одной цепи биохимических реакций. Оперонная модель предполагает наличие единой системы регуляции, то есть объединенные в один оперон структурные гены имеют один общий ген – промотор, ген – оператор и ген – терминатор. Со структурных генов транскрибируется единая полицистронная мРНК, затем она разрезается и синтезируются отельные пептиды. Регуляция транскрипции изучена на кишечной палочке, она может идти по типу индукции и корепрессии.

Регуляция активности генов по типу индукции

Примером регуляции экспрессии генов по типу индукции может служить лактозный оперон. В эксперименте было отмечено, что после введения в питательную среду сахара лактозы в цитоплазме клетки появляются три фермента. Лактоза выступает в роли индуктора синтеза ферментов – расщепления, которые превращают субстрат в продукт, необходимый для жизнедеятельности бактерий. Лактоза связывает белок — репрессор, изменяет его третичную структуру, он теряет способность соединятся с геном — оператором. Свободный ген – оператор включает оперон, РНК-полимераза взаимодействует с геном – промотором и со структурных генов осуществляется транскрипция полицистронной мРНК. (рис. 11) После удаления из среды лактозы, освобожденный белок – репрессор вновь блокирует ген – оператор и оперон выключается, транскрипция прекращается.

Регуляция активности генов по типу корепрессии

У бактерий описана система регуляции, которая переводит активные структурные гены в неактивное состояние, в зависимости от концентрации в цитоплазме конечного продукта определенной биохимической реакции. Примером может служить триптофановый оперон, он является системой, постоянно кодирующей синтез незаменимой аминокислоты – триптофана. Избыточное количество этой аминокислоты, то есть конечного продукта, активизирует белок – репрессор, он блокирует ген – оператор и транскрипция прекращается, синтез триптофана останавливается (рис. 12)

Таким образом, оперонная модель – это саморегулируемая система, работает по принципу обратной связи и носит приспособительный характер. Синтез фермента запускается поступлением в клетку субстрата реакции (индуктор) и прекращается при его избытке, при этом конечный продукт выступает в роли корепрессора.

Регуляция работы генов у эукариот

Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г. П. Георгиевым (1972). Принцип регуляции по типу обратной связи сохраняется, но механизмы её более сложны. Это обусловлено появлением ядерной оболочки и разобщением процессов транскрипции и трансляции во времени и пространстве.

Единица транскрипции у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон. Неинформативная зона начинается промотором и инициатором, за ней следует группа генов операторов и далее расположена информативная зона. Информативная зона образована структурным геном, разделенным на экзоны и интроны. Заканчивается транскриптон терминатором.

В настоящее время установлено, что регуляция транскрипции эукариот носит комбинационный характер. Это означает, отсутствие оперонной модели организации генов и синтез ферментов одной цепи биохимических реакций не имеют единой регулируемой системы.

Работу транскриптона регулирует несколько генов-регуляторов и синтезируется несколько белков-репрессоров.

Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (гормоны и другие вещества), для расщепления их требуется несколько ферментов. Индукторы освобождают гены – операторы от белков – репрессоров, РНК – полимераза запускает транскрипцию. Вначале синтезируется большая молекула предшественница мРНК, списывающая всю информацию. После процессинга происходит ферментативное разрушение неинформативной части РНК и расщепление ферментами – рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Синтезируется моноцистронная мРНК (рис.13). Включение и выключение транскриптона происходит так же, как и оперона.

В геноме эукариот встречаются уникальные последовательности нуклеотидов ДНК (одна в геноме), у человека на них приходится до 56%. Уникальная ДНК входит в состав структурных генов и даёт информацию о первичной структуре полипептидов. Кроме того, в геномах эукариот содержатся последовательности нуклеодидов, многократно повторяющиеся. Эти гены выполняют разнообразные функции: являются промоторами, регулируют репликацию ДНК, участвуют в кроссинговере, отделяют экзоны и интроны и др. Жизнедеятельность организма обусловлена функциональной активностью в основном уникальных генов, а она, в свою очередь, зависит от состояния внутренней среды организма (гормональный фон и др.), а также условий окружающей среды.

Фундаментальным понятием в генетике является представление о гене как единице наследственности. Ниже приводится два определения гена. Ген - это участок ДНК, коллинеарно кодирующий определённый белковый или нуклеиновый продукт. Ген - это фрагмент 2-цепочечной ДНК, несущей определённую генетическую информацию. У кишечной палочки имеется 4 тыс. генов, у дрожжей - 7 тыс. генов, а у дрозофилы и плоских червей -15-20 тысяч генов,У человека имеется приблизительно от 50 тысяч до 100 тысяч структурных генов, по данным на 1989 год около 5 тысяч генов были приблизительно охарактеризованы, а около 2 тысяч генов были нанесены на карты хромосом (картированы). 26 июня 2000 года в прессе было сделано сообщение о том, что учеными США, Англии, Японии и других стран, участвующими в программе «Геном человека», завершена основная часть работы (более 90%) по расшифровке генетического кода человека.

В ближайшие 2 года планируется уточнить и завершить работу по данной программе, которая имеет важное прикладное значение для медицины. В плане данной темы важно помнить, что ген занимает определённый участок (локус) в хромосоме, это участок ДНК, который может быть представлен десятками, сотнями или тысячами пар нуклеотидов. В настоящее время, с функционально-генетической точки зрения, гены классифицируют на 3 группы:

  • 1. Структурные гены - кодируют структуру синтезируемых клеткой белков (структурных белков, белков-ферментов и др.), а также кодируют последовательности нуклеотидов в молекулах т-РНК и р-РНК.
  • 2. Регуляторные (функциональные) гены - контролируют и направляют работу структурных генов.
  • 3. Гены-модуляторы. К ним относятся гены-ингибиторы (или супрессоры), которые подавляют функции других генов, гены-интенсификаторы, которые усиливают функции других генов и др. Экзонно-интронная структура генов.

В 70-х годах XX века было обнаружено, что структурные гены эукариот содержат экзоны (участки ДНК, несущие генетическую информацию и отвечающие за синтез определенных участков белков) и интроны (участки ДНК, которые не несут генетической информации, относящейся к синтезу белка, кодируемого данным геном). Интроны ещё называют вставками, расположенными между экзонами. Таким образом, принципиальным отличием генов эукариот от генов прокариот является то, что их структурные гены имеют разорванную, прерывистую структуру. Однако исключение составляют гены, кодирующие гистоны и интерфероны, они не содержат интронов. Дальнейшие исследования показали, что большинство генов эукариот имеют экзон-интронную организацию. Длина интронов варьирует в очень широких пределах: от 100 до 10000 нуклеотидов и более, нередко их суммарная длина больше длины экзонов. Количество интронов и экзонов в разных генах варьирует. Один из самых коротких - ген бета-глобина, состоящий из 1100 пар нуклеотидов (пн), содержит 3 экзона (90, 222, 126 пн) и 2 интрона (116, 646 пн). Примером протяженного гена служит ген дистрофина, имеющий 2,6 млн пн и более 2000 экзонов.

Представление, что интроны - нефункциональная часть гена, - неверно. И хотя детально их биологическая роль не выяснена, существует ряд гипотез о значении интронов:

1) Строение генов из участков выгодно для процессов генетической рекомбинации, перетасовки генов. Чем дальше в хромосоме расположены фрагменты генетического материала, тем выше вероятность рекомбинации. Именно поэтому и выгодны вставки-интроны. Нуклеотидная последовательность интронов менее консервативна, чем у экзонов, она подвергается быстрым изменениям в эволюции.

Перетасовка частей генов может быть использована для разных целей: а) это путь к образованию новых генов; б) это способ нейтрализации вредных мутаций.

2) Предполагается регуляторная роль интронов в экспрессии (работе) генов. Интроны могут содержать энхансеры. Они могут кодировать особый фермент, который участвует в сплайсинге м-РНК (смотри следующий вопрос). Заканчивая разговор о гене, необходимо отметить ещё одно обстоятельство. У эукариот гены разделены между собой протяженными участками ДНК, которые были названы спейсерами, или разделителями. Накапливается всё более данных, что именно в спейсерах располагаются те сегменты ДНК, которым принадлежит решающая роль в регуляции работы генов (в регуляции транскрипции). Регуляиия биосинтеза белка у прокариот (на примере работы лактозного оперона кишечной папочки).

Все клетки любого организма имеют полный набор свойственных данному организму генов. Вместе с тем известно, что клетки разных тканей и органов отличаются по набору имеющихся в них белков. Располагая полной генетической информацией, каждая клетка на определенном этапе развития использует лишь ту её часть, которая необходима в настоящий момент, транскрибируются («работают») только те гены, продукты которых нужны клетке в данный момент для выполнения её функций. Следовательно, клетка должна обладать механизмами, определяющими какие гены и в какой последовательности должны транскрибироваться. Наиболее полно регуляция генной активности изучена на примерах синтеза белков-ферментов у микроорганизмов.

Теория регуляции биосинтеза белка у прокариот разработана в 50-х годах XX века французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно. Они разработали концепцию опреона и выяснили основные принципы регуляции биосинтеза белка у прокариот. Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моно, гены функционально неодинаковы: выделяют группу структурных генов (они кодируют структуру синтезируемых клеткой попипептидов, белков, р-РНК, т-РНК) и группу регуляторных генов (они управляют работой структурных генов обычно с помощью присоединения к ним различных белковых факторов).

Единицей генетической регуляции является оперон, который представляет собой совокупность расположенных е линейной последовательности регуляторных и одного или нескольких структурных генов. Гены одного оперона расположены в хромосоме прокариот рядом и кодируют ферменты, осуществляющие последовательные реакции синтеза или расщепления. Эти гены находятся под общим регуляторным контролем и могут включаться и выключаться координированно. Одним из наиболее наглядных и хорошо изученных примеров является лактозный оперон кишечной палочки (Escherichia coli) - группа генов, контролирующая синтез ферментов, осуществляющих катаболизм молочного сахара - лактозы. Буквально через несколько минут после добавления в питательную среду для кишечной палочки лактозы, бактерии начинают вырабатывать 3 фермента: галактозидпермеазу, бетагалактозидазу и галактоэидтрансацетилазу. Как только ресурсы лактозы в среде исчерпываются, синтез ферментов сразу же прекращается.

Строение лактозного оперона кишечной палочки:

  • 1. Начинается оперон с участка А - он предназначен для присоединения белка-активатора (синий круглешок), в свою очередь необходимого для присоединения к следующему участку фермента (РНК-полимеразы).
  • 2. Следующий участок П (промотор) - место прикрепления фермента РНК-полимеразы (зеленый треугольник), это участок начала транскрипции.
  • 3. За промотором следует О (оператор) - он играет важную роль в транскрипции генов оперона, т.к. с ним может прикрепляться регуляторный белок-репрессор (красн 2 треугольника)
  • 4. За оператором следуют структурные гены (z, у, а), которые кодируют построение 3-х упомянутых ранее белков-ферментов.
  • 5. Заканчивается оперон Т (терминатором) - участком, прекращающим продвижение РНК-полимеразы и транскрипции оперона.
  • 6. Основная регуляция работы структурных генов осуществляется регуляторным белком (красн 2 треугольн) который кодируется Р (геном-регулятором), который не входит в состав оперона, а лежит поблизости в другом месте хромосомы.

Работа лактозного оперона Регуляторный белок-репрессор в незначительном количестве синтезируется в клетке постоянно. Этот белок обладает сродством к последовательности нуклеотидов в области оператора, а также сродством к лактозе. Репрессия: В отсутствие лактозы регуляторный белок связывается с участком-оператором (О) и препятствует продвижению по ДНК РНК-полимеразы: не синтезируется м-РНК, не синтезируются и белки-ферменты. Индукция: После добавления в среду лактозы, регуляторный белок связывается с ней быстрее, чем с участком-оператором, который остаётся свободным и не препятствует продвижению РНК-полимеразы. Идёт транскрипция и трансляция. Синтезирующие белки-ферменты расщепляют лактозу. После того, как вся лактоза будет израсходована, нечем будет связывать регуляторный белок и он снова окажется с О (оператором), прекратив транскрипцию оперона.

Другой известный тип индукции - позитивная индукция. Она свойственна другому оперону кишечной палочки, кодирующему ферменты катаболизма другого сахара - арабинозы. Этот оперон структурно очень похож на предыдущий. Разница в регуляции состоит в том, что добавленная в среду арабиноза взаимодействует с белком-репрессороми, освобождая операторный участок, одновременно превращает белок-репрессор в белок-активатор, способствующий. присоединению РНК-полимеразы к промотору. В этих условиях транскрипции имеет место. Как только запасы арабинозы в среде исчерпываются, синтезирующийся белок-репрессор опять связывается с оператором, выключая транскрипцию.

Кроме индукции, известны также 2 типа (негативный и позитивный) регуляции по принципу репрессии. Если при негативной индукции эффектор (индуктор) препятствует присоединению белка-репрессора к оператору, то при негативной репрессии, наоборот, эффектор придаёт регуляторному белку способность присоединяться к оператору. Если в первом случае соединение эффектора с белком-регулятором разрешало транскрипцию, то во втором оно запрещает её. Примером негативной репрессии может служить хорошо изученный триптофановый оперон кишечной палочки.

В его состав входят пять структурных генов, обеспечивающих синтез аминокислоты триптофана, оператор и два промотора. Белок-регулятор синтезируется вне триптофонового оперона. Пока клетка успевает расходовать весь синтезирующийся триптофан, оперон работает, синтез триптофана продолжается. Если же в клетке появляется избыток триптофана, он соединяется с регуляторным белком и изменяет его таким образом, что этот белок приобретает сродство с оператором. Измененный белок-регулятор взаимодействует с оператором и препятствует транскрипции структурных генов вследствии чего синтез триптофана прекращается. При позитивной репрессии эффектор лишает регуляторный белок способности связываться с оператором, обуславливая таким образом, транскрипцию структуоных генов.

Описанные типы регуляции характеризуют механизмы регуляции отдельных оперонов, практически не касаясь регуляции экспрессии генома в целом, в то время как совершенно очевидно, что регуляция разных оперонов должна носить согласованный характер. Такой согласованный характер работы разных оперонов и генов получил у вирусов и фагов название каскадной регуляции. Согласно принципу каскадной регуляции, сначала происходит транскрипция «предранних», затем «ранних» и наконец «поздних» генов, в зависимости от того, какие белки требуются на разных стадиях вирусной (фаговой) инфекции.

Конечно, принцип каскадной регуляции у фагов относится к наиболее простым. У более сложно организованных организмов для осуществления большого количества функций, происходящих одновременно или с определённой последовательностью, необходима согласованная работа многих генов и оперонов, Особенно это касается эукариотов, отличающихся не только более сложной организацией генома, но и многими другими особенностями механизмов регуляции генной активности.

По принципам регуляции гены эукариотов можно условно разделить на 3 группы:

  • 1) функционирующие во всех клетках организма;
  • 2) функционирующие в тканях только одного типа;
  • 3) обеспечивающие выполнение специализированными клетками конкретных функций.

Кроме того, у эукариотов известно одновременное групповое выключение генной активности, осуществляемое гистонами - основными белками, входящими в состав хромосом. Ещё одним существенным отличием транскрипции у эукариотов является то, что многие м-РНК длительное время сохраняются в клетке в виде особых частиц -информосом, в то время как м-РНК прокариотов практически ещё в процессе транскрипции поступают в рибосомы, транслируются, после чего быстро разрушаются.

Вместе с тем, имеется много данных, указывающих, что транскрипция у эукариотов осуществляется с участков, подобных оперонам прокариотов и состоящих из регуляторных и структурных генов. Отличительной особенностью оперонов эукариотов является то, что почти всегда они содержат только структурный ген, а гены, контролирующие различные этапы определённой цепи метаболических превращений разбросаны по хромосоме и даже по разным хромосомам.

Другой отличительной чертой оперонов эукариотов является то, что они состоят из значащих (экзонов) и незначащих (интронов) участов. чередующихся друг с другом. При транскрипции считываются как экзоны, так и интроны, а образующийся при этом предшественник информационной РНК (про-мРНК) затем претерпевает созревание (процессинг), в результате которого происходит вырезание интронов и образование собственно м-РНК (сплайсинг).

У эукариотов известны и другие типы регуляции активности генов, такие как эффект положения или дозовая компенсация. В первом случае речь идёт об изменении генной активности е зависимости от конкретного окружения: перемещение гена из одного места хромосомы в другое может приводить к изменению активности как этого гена, так и близлежащих. Во втором случае, нехватка одной дозы какого-либо гена (в первую очередь это относится к генам, локализованным в половых хромосомах гетерогаметного пола, когда одна из гомологичных половых хромосом либо генетически инертна, либо полностью отсутствует) фенотипически не проявляется за счет компенсаторного увеличения активности оставшегося гена, В целом же, регуляция активности генов у эукариотов изучена недостаточно.

В 1909 году датский ученый В. Йогансен предложил термин «ген». Ген – это участок ДНК хромосомы, который несет информацию об одном белке, молекуле транспортной или рибосомальной РНК. Функционально ген представляет собой целостную единицу. Но ген состоит из отдельных частей. Одни из которых активны – с них копируется РНК – экзоны . С других – не копируются. Они называются интронами . Количество интронов в генах разное, специфическое для каждого гена.

Структурные и регуляторные гены

Строение генов прокариот. Модель оперона, предложенная Ф. Жакобом и Ж. Л. Моно

Гены бывают структурные и регуляторные. Структурные – это гены, которые кодируют структуру рибонуклеиновых кислот и белков. Имеют большие размеры (сотни и тысячи нуклеотидов).

Регуляторные – это гены, которые служат местом присоединения ферментов или биологически активных соединений, которые влияют на активность структурных генов, принимают участие в процессах удвоения ДНК и транскрипции. Имеют незначительные размеры (до нескольких паров нуклеотидов).

Геномы и спейсеры

Строение генов эукариот

Количество генов у разных организмов разное. Совокупность генов в гаплоидном наборе, характерное для определенного вида, называется геномом .

Простейшими геномами являются геномы вирусов. Состоят лишь из структурных генов.

Геномы прокариот имеют и структурные, и регуляторные гены. Половина длины молекулы не несет информации, так как участки между генами – спейсеры – «разделительные знаки».

Геномы эукариот имеют наиболее сложную структуру. В них большее количество ДНК, поэтому много и структурных, и регуляторных генов. Например, у дрозофилы в геноме есть около 180 000 000 пар нуклеотидов, структурных генов – почти 10 тыс. В геномах организмов эукариот количество ДНК всегда значительно больше необходимого для кодирования (в 8-10 раз). Причины разные. Могут много раз повторяться последовательности нуклеотидов. В молекулах ДНК всегда много участков, которые не несут информации (спейсеры ).

Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллиона пар нуклеотидов, в которых закодирована генетическая информация о первичной структуре белка (число и последовательность аминокислот). Для регулярного правильного считывания информации в гене должны присутствовать: кодон инициации, множество смысловых кодонов и кодон терминации. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и определяет, какая аминокислота будет располагаться в данной позиции в белке. Например, в молекуле ДНК последовательность оснований ТАС является кодоном для аминокислоты метионина, а последовательность ТТТ кодирует фенилаланин. В молекуле иРНК вместо тимина (Т) присутствует основание урацил (У). Таблица генетического кода во всех руководствах представлена именно символами иРНК. Из 64 возможных кодонов смысловыми являются 61, а три триплета -- УАА, УАГ, УГА -- не кодируют аминокислоты и поэтому были названы бессмысленными, однако на самом деле они представляют собой знаки терминации трансляции.

Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурный ген бактерии, фага или вируса, как правило, контролирует одну ферментативную реакцию. Специфичным для прокариот является оперонная система организации нескольких генов. Гены одного оперона (участка генетического материала, состоящего из 1, 2 и более сцепленных структурных генов, которые кодируют белки (ферменты), осуществляющие последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита; в оперон эукариот входит, как правило, 1 структурный ген; оперон содержит регуляторные элементы) расположены в кольцевой хромосоме бактерии рядом и контролируют ферменты, осуществляющие последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый и др. опероны).

Структура генов у бактеориофагов и вирусов в основном схожа с бактериями, но более усложнена и сопряжена с геномом хозяев. Например, у фагов и вирусов обнаружено перекрывание генов, а полная зависимость вирусов эукариот от метаболизма клетки-хозяина привела к появлению экзон-интронной структуры генов.

Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение. Кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами). Экзон [от англ. ex(pressi)on -- выражение, выразительность] - участок гена, несущий информацию о первичной структуре белка. В гене экзоны разделены некодирующими участками -- интронами. Интрон (от лат. inter -- между) - участок гена, не несущий информацию о первичной структуре белка и расположенный между кодирующими участками -- экзонами. В результате структурные гены эукариот имеют более длинную нуклеотидную последовательность, чем соответствующая зрелая иРНК, последовательность нуклеотидов в которой соответствует экзонам. В процессе транскрипции информация о гене списывается с ДНК на промежуточную иРНК, состоящую из экзонов и интронов. Затем специфические ферменты -- рестриктазы -- разрезают эту про-иРНК по границам экзон-интрон, после чего экзонные участки ферментативно соединяются вместе, образуя зрелую иРНК (так называемый сплайсинг). Количество интронов может варьировать в разных генах от нуля до многих десятков, а длина -- от нескольких пар оснований до нескольких тысяч.

Ген может кодировать различные РНК-продукты путем изменения инициирующих и терминирующих кодонов, а также альтернативного сплайсинга. Альтернативная экспрессия гена осуществляется и путем использования различных сочетаний экзонов в зрелой иРНК, причем полипептиды, синтезированные на таких иРНК, будут различаться как по количеству аминокислотных остатков, так и по их составу.

Наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых изучены недостаточно, а также мигрирующие элементы (мобильные гены), способные перемещаться по геному. Найдены также так называемые псевдогены у эукариот, которые представляют собой копии известных генов, расположенные в других частях генома и лишенные интронов или инактивированные мутациями.