1) наличие достаточно большого количества регуляторных блоков,
2) мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими).
Экзоны(Э) - участки гена, несущие информацию о строении полипептида.
Интроны(И) - участки гена, не несущие информацию о строении полипептида. Число экзонов и интронов различных генов разное; экзоны чередуются с интронами, общая длина последних может превышать длину экзонов в два и более раз. Перед первым экзоном и после последнего экзона находятся нуклеотидные последовательности, называемые соответственно лидерной (ЛП) и трейлерной последовательностью (ТП) . Лидерная и трейлерная последовательности, экзоны и интроны образуют единицу транскрипции .
Промотор(П) - участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов. Перед единицей транскрипции, после нее, иногда в интронах находятся регуляторные элементы (РЭ) , к которым относятся энхансеры (ускоряют транскрипцию) и сайленсеры (тормозят транскрипцию).
Биосинтез белка
Рис. 7. Синтез белка у прокариот и эукариот
Транскри́пция - процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках.
Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой, которая может присоединиться только к промотору, находящемуся на 3"-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3"- к 5"-концу этой матричной цепи ДНК. Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).
В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (про-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга .
Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре. Зрелая иРНК приобретает определенную пространственную конформацию, окружается белками и в таком виде через ядерные поры транспортируется к рибосомам; иРНК эукариот, как правило, моноцистронны (кодируют только одну полипептидную цепь).
Трансляция - синтез полипептидной цепи на матрице иРНК.
а) инициация (образование иницаторного комплекса);
б) элонгация (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом);
в) терминация (образование терминирующего комплекса).
В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр (ФЦР) с двумя участками - пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три - в пептидильном и три - в аминоацильном участках.
Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК (рис. 8). В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3"-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои тРНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к тРНК.
Рис. 8. Транспорт аминокислот к рибосомам: 1 - фермент; 2 - тРНК; 3 - аминокислота.
Синтез белка начинается с того момента, когда к 5"-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК (транспортирующая аминокислоту метионин). Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислот (рис. 9).
Рис. 9. Инициация.
Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.
Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.
Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму (рис. 10.). На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.
Рис. 10. Элонгация.
Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения. Полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.
Организация генома прокариот: Геном прокариот может состоять из одной или нескольких крупных молекул ДНК, называемых хромосомами, и небольших
молекул ДНК – плазмид. В хромосомах представлены практически все гены, необходимые для жизнедеятельности бактерии. Плазмиды же несут гены, необязательные для бактерии, без них клетка может обойтись, хотя в некоторых условиях они способствуют ее выживанию.Хромосомы и плазмиды могут представлять собой как кольцевые, так и линейные двухцепочечные молекулы ДНК. Геном бактерий может состоять из одной или нескольких хромосом и плазмид.Хромосома(ы) в бактериальной клетке представлена(ы) в виде одной копии, т.е. бактерии гаплоидны. Плазмиды же могут присутствовать в клетке как в виде одной копии, так и в нескольких.
Хромосома уложена в компактную структуру – нуклеоид, который имеет овальную или сходную с ней форму. Его структура поддерживается ДНК-связывающими гистоноподобными белками и молекулами РНК. С нуклеоидом также ассоциированы молекулы РНК-полимеразы и ДНК-топоизомеразыI. По периферии нуклеоидарасполагаются петли хромосомной ДНК, которые находятся в транскрипцио в активном состоянии. При подавлении транскрипции эти петли втягиваются внутрь. Нуклеоид не является стабильным образованием и во время различных фаз роста бактериальных клеток изменяет свою форму. Изменение его пространствеой организациисопряжено с изменением транскрипционной активностью определенных генов бактерий.
В состав хромосомы могут входить геномы умеренных фагов. Включение их геномов в клеточный может происходить после заражения фагами бактерий. При этом одни фаговые геномы интегрируют в строго определенные участки хромосомы, другие – в участки различной локализации.
Размер геномов прокариот колеблется от нескольких сотен тысяч до десятка миллионов пар нуклетидов. Геномы прокариот отличаются друг от друга по содержание ГЦ-пар, их доля в их составе колеблется от 23 до 72 %. Нужно отметить, что в белках термофильных бактерий повышено также и содержание полярных аминокислот, что делает их более устойчивыми к денатурации при повышенных температурах. В составе белковхеликобактерий (обитающих вкислой среде) больше аминокислотных остатков аргинина и лизина. Остатки этих аминокислот способны связывать ионы водорода, тем самым, оказывая влияние на кислотность среды, и способствуя выживанию бактерий в сложных экологических условиях.О числе генов в геноме судят по наличию в их составе открытых рамок считывания (ОРС). ОРС представляет собой полинуклеотидную последовательность, потенциально способную кодировать полипептид. О существовании ОРС на тех или иных участках ДНК судят на основании расшифрованной первичной структуры ДНК. Основным критерием принадлежности участка полинуклеотидной цепи к ОРС служит отсутствие стоп-кодонов на достаточно протяженном участке после стартовогокодона. В то же время наличие ОРС является недостаточным условием для утверждения о наличии на да ом участке ДНК гена. Гены, прокариот, как правило, имеют оперонную организацию. В одном опероне обычно представлены гены, ответственные за осуществление одного и того же метаболического процесса.
Организация генома эукариот:Хранителем генетической информации у эукариот так же как и у прокариот, является двухцепочечная молекула ДНК. Основная часть генетической информации у них сосредоточена в клеточном ядре в составе хромосом, значительно меньшая часть представлена в составе ДНК митохондрий, хлоропластов и других пластид. Геномная ДНК эукариот представляет собой совокупность ДНК гаплоидного набора хромосом и внехромосомной ДНК. Общее содержание ДНК, приходящиеся на один гаплоидный набор, носит название величина С. Ее выражают в пг ДНК, дальтонах или в парах нуклеотидов (1 пг = 6,1 10 11 Да = 0,965 10 п.н.). Значение величины С, как правило, возрастает с увеличением организации живых организмов. Однако,у некоторых родственных видов величины С могут значительно отличаться, в то время как морфология и физиология этих видов отличаются друг от друга несущественно. Значение негенной ДНК: существуют несколько гипотез, объясняющих ее роль: некодирующие последовательности генома эукариот способствуют защите генов от химических мутагенов. Ядерная ДНК эукариот состоит из уникальных и повторяющихся последовательностей. Повторяющаяся ДНК в свою очередь может быть разделена на две фракции: умеренно повторяющаяся и часто повторяющаяся ДНК: К часто повторяющейся принадлежит ДНК, представленная в геноме более 105 копий. К этой фракции относится сателлитная ДНК. Содержание сателлитной ДНК составляет в геноме эукариот от 5 до 50 % от всей ДНК. Эта ДНК преимуществео обнаруживается вцентромерных и теломерныхрайонах хромосом, где она выполняет структурные функции. Сателитная ДНК состоит из тандемных повторов длиной от 1 до 20 и более п.н. Благодаря простоте организации и многочисленным копиям эта ДНК обладает способностью к быстрой ренатурации. В геноме эукариот различают микросателлиты, минисателлиты и макросателлиты. Микросателлиты образованы многократно повторяющимися мономерными звеньями (1 – 4 п.н) и имеют размер до нескольких сотен пар нуклеотидов. Они разбросаны по геному, их длина и общее количество копий коррелирует с размером генома. Количество копий микросателлитов в геноме может достигать десятков и сотен тысяч.Макросателлиты обладают в сравнении с микросателлитами и минисателлитами большим размером повторяющегося звена до 1000 и более пар нуклеотидов. Они обнаружены в геномах птиц, кошек и человека. Умеренно повторяющиеся последовательности в геноме представлены до 104 копий. К ним относятся генные семейства и МГЭ.Генные семейства образуют гены, обладающие гомологичной (или идентичной) нуклеотидной последовательностью, и выполняющие одну и ту же или сходные функции. Они могут быть организованы в виде кластеров или же разбросаны по геному. Существование генов в большом числе копий обеспечивает повышенное образование продуктов их экспрессии. МГЭ эукариот составляют в среднем около 10 – 30 % генома. Они могут концентрироваться в определенных участках хромосомы или быть рассеянными по геному. К уникальной ДНК относятся неповторяющиеся нуклеотидные последовательности. Ее содержание у различных видов варьирует от 15 до 98 %. К уникальной ДНК относятся как кодирующие, так и не кодирующие последовательности. При этом большая часть уникальной ДНК не несет функции кодирования. К некодирующей уникальной ДНК относятся интроны, к кодирующей –экзоны.
Структурными генами называются участки ДНК, кодирующие белковые цепи, т-РНК и р-РНК.
Большинство эукариотических генов имеет «мозаичную» экзон-интронную структуру.
Экзоны - участки гена, кодирующие структуру полипептида.
Интроны - участки гена, не кодирующие структуру полипептида. Их роль до конца не ясна, вероятно они участвуют в процессах генетической рекомбинации, а также в процессах регуляции экспрессии.
Количество интрон-экзонных переходов в пределах гена может варьироваться от 0 до 50. Колебание размеров более характерно для интронов - от 20 до более чем 10000 п.н.
Регуляторные элементы могут находиться за пределами сайта транскрипции и быть общими для нескольких генов:
Промоторы - участки присоединения РНК полимеразы
Энхансеры - усилители транскрипции
Сайленсеры - ослабители транскрипции
Инсуляторы - ограничители влияния соседних регуляторных элементов
Полный ответ:
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). Гены являются элементарными дискретными единицами наследственности. Воспроизведение и действие генов непосредственно связано с матричными процессами. В настоящее время ген рассматривается как единица функционирования наследственного материала. Химической основой гена является молекула ДНК.
Гены разделяются на структурные, регуляторные и гены-модуляторы.
Структурные гены содержат информацию о структуре белка (полипептидов) и рибонуклеиновых кислот (рибосомальной и транспортной), при этом генетическая информация реализуется в процессе транскрипции и трансляции или только транскрипции.У человека насчитывается около 30 000 структурных генов, но только часть из них экспрессирована. Размеры генов варьируют от 250 п.н. до 2 200 ООО п.н.
Общепринятая модель строения гена - экзон-интронная структура:
Экзон -постедовательностъ ДНК. которая представлена в зрелой РНК. В составе гена должен присутствовать как минимум один экзон (гены тРНК, гистонов). Максимальное количество экзонов представлено в гене мышеч-ного белка титана - 364 экзона. В среднем в гене содержится 8 экзонов.
Фактор инициации транскрипции 5 -ACTT(T/C)TG-3" входит в состав первого экзона.
Фактор терминации транскрипции (менее определённая последовательность) входит в состав последнего экзона.
Интрон - последовательность ДНК. включённая между экзонамн. не входит в состав зрелой РНК. Интроны имеют определенные нуклеотидные последовательности, определяющие их границы с экзонамн: на 5"конце - GU последовательность, на 3"конце -AG. Интроны содержат регуляторные элементы экспрессии гена и могут кодировать регуляторные РНК (miRNA).
Сигнал полиаденилирования 5 -ААГААА-З" входит в состав последнего экзона, начинается сразу после стоп-кодона (ТАА, TAG, TGA). Поли(А) сайты защищают мРНК от деградации.
Копирование гена происходит в направлении 5" -> 3"; на флангах (границах) находятся специфические сайты, ограничивающие ген и содержащие регуляторные элементы его транскрипции.
Регуляторные элементы - промотор, энхансеры, сайленсеры, инсуляторы - могут находиться за пределами сайта транскрипции и быть общими для нескольких генов.
Промотор (от англ. promoter - активатор, ускоритель) - цис-регуляторная последовательность в 5 -области гена, определяющая место прикрепления РНК-полимеразы и интенсивность (частоту) транскрипции мРНК. Содержит ТАТА-бокс для связывания основного фактора транскрипции TEQD. Проксимальнее ТАТА-бокса содержатся GC бокс (5"-GGCiCGG-3") и СААГ бокс (З"-СС"ААТ-З’) для связывания дополнительных специфических белков, активирующих экспрессию генов. Активация только промотора не достаточна для экспрессии гена на физиологически значимом уровне.
Энхансеры (от англ. enhance-усиливать)-цис-позитизные регуляторные элементы и сайленсеры (от англ. silence - успокаивать) - цис-негативные регуляторные элементы состоят из 6-12 нуклеотидов, специфически взаимодействующих с белками. Энхансеры связываются с белками активаторами и усиливают экспрессию гена.
Сайленсеры связываются с белками репрессорами и блокируют экспрессию гена. Энхансеры и сайленсеры локализуются в 5"- или 3"-фланкируклцих участках, нитронах. Активность не зависит от их ориентации или локализации. Кроме того, они могут находиться на больших расстояниях от промотора (несколько сотен п.и.) и взаимодействуют с ним за счёт образования петель ДНК.
Инсуляторы (англ. MAR - matrix attachment regions). Образуют дискретные функциональные домены - петли хромосом, ограничивающие влияние соседних регуляторных элементов. В состав петли могут входить специфические последовательности, контролирующие локус (англ. LCR - locus-control region) - позитивные цис-элементы, регулирующие активность нескольких генов (рис. 1-2).
Благодаря экзонно – интронной организации генов создаются предпосылки для альтернативного сплайсинга. Альтернативний сплайсинг- процесс «вырезания» разных интронов из первичного РНК-транскрипта в результате чего на основе одного гена могут синтезироватся разные белки. Явление альтернативного сплайсинга имеет место у млекопитающих при синтезе различних антител на основе иммуноглобулиновых генов.
65. Классификация генов
Полный ответ:
По месту локализации генов в структурах клетки различают расположенные в хромосомах ядра, ядерные гены и цитоплазматические гены, локализация которых связана с хлоропластами и митохондриями.
По функциональному значению различают:структурные гены, характеризующиеся уникальными последовательностями нуклеотидов, кодирующих свои белковые продукты, которые можно идентифицировать с помощью мутаций, нарушающих функцию белка, и регуляторные гены - последовательности нуклеотидов, не кодирующие специфические белки, а осуществляющие регуляцию действия гена (ингибирование, повышение активности и др.).
По влиянию на физиологические процессы в клетке различают: летальные, условно летальные, супервитальные гены, гены-мутаторы, гены-антимутаторы и др.
Следует отметить, что любые биохимические и биологические процессы в организме находятся под генным контролем. Так, деление клеток (митоз, мейоз) контролируется несколькими десятками генов; группы генов осуществляют контроль восстановления генетических повреждений ДНК (репарация). Онкогены и гены - супрессоры опухолей участвуют в процессах нормального деления клеток. Индивидуальное развитие организма (онтогенез) контролируется многими сотнями генов. Мутации в генах приводят к измененному синтезу белковых продуктов и нарушению биохимических или физиологических процессов.
Гомеозисные мутации у дрозофилы позволили открыть существование генов, нормальной функцией которых является выбор или поддержание определенного пути эмбрионального развития, по которому следуют клетки. Каждый путь развития характеризуется экспрессией определенного набора генов, действие которых приводит к появлению конечного результата: глаза, голова грудь, брюшко, крыло, ноги и т. д. Исследования генов комплекса bithorax дрозофилы американским генетиком Льюисом показали, что это гигантский кластер тесно сцепленных генов, функция которых необходима для нормальной сегментации груди (thorax) и брюшка (abdomen). Подобные гены получили название гомеобоксных. Гомеобоксные гены расположены в ДНК группами и проявляют свое действие строго последовательно. Такие гены обнаружены и у млекопитающих, и они имеют высокую гомологию (сходство).
66. Отличие в строении прокариот и эукариот.
Краткий ответ:
Полный ответ:
У прокариот нет ядра, кольцевая ДНК (кольцевая хромосома) расположена прямо в цитоплазме (этот участок цитоплазмы называется нуклеоид). У эукариот есть оформленное ядро (ДНК отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой).
Дополнительные отличия
1) Раз у прокариот нет ядра, то нет и митоза/мейоза. Прокариоты размножаются делением надвое.
2) У прокариот из органоидов имеются только рибосомы (мелкие, 70S), а у эукариот кроме рибосом (крупных, 80S) имеется множество других органоидов: митохондрии, эндоплазматическая сеть, клеточный центр, и т.д.
3) Клетка прокариот гораздо меньше клетки эукариот: по диаметру в 10 раз, по объему – в 1000 раз.
Сходства
Клетки всех живых организмов (всех царств живой природы) содержат плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы.
Транскрипция у эукариот
Определения: Ядрышко - место образования субъединиц рибосом, наблюдаемое в световой микроскоп. В ядре может быть несколько ядрышек. Мастер генов рРНК называют ядрышковым организатором. Базальные факторы транскрипции - белки, необходимые для инициации транскрипции. Энхансеры - последовательности ДНК, усиливающие транскрипцию при взаимодействии со специфическими белками. Сайленсеры – последовательности ДНК, ослабляющие транскрипцию при взаимодействии с белками.
У эукариот процессы транскрипции и трансляции разобщены во времени и пространстве (транскрипция - в ядре, трансляция - в цитоплазме). У эукариот существуют специализированные РНК-полимеразы. В ядре выделяют 3 типа РНК-полимераз: РНК-полимераза I - синтезирует rРНК (кроме 5SrРНК). РНК-полимераза II - синтезирует мРНК и некоторые sPHK. РНК-полимераза III - синтезирует тPHK, некоторые sPHK и 5SrPHK. РНК-полимеразы различаются количеством субьединиц, их аминокислотным составом, и зависимостью от катионов магния и марганца. Для РНК-полимераз I и III необходимое для работы соотношение / = 2. Для РНК-полимеразы II - / = 5. Наиболее яркое различие - чувствительность к α- аманитину (токсину бледной поганки). Он полностью подавляет работу РНК-полимеразы II в концентрации 10-8 М и РНК-полимеразы III (в концентрации 10-6 М). РНК-полимераза I фактически нечувствительна к этому токсину. Помимо ядерных РНК-полимераз у эукариот есть еще РНК-полимеразы хлоропластов и митохондрий. Они кодируются в ядре, а не в соответствующих органеллах. В органеллах образуются свои тPHK, рРНК и рибосомные белки.
Как образуются рибосомы у эукариот Гены rРНК присутствуют в количестве от 10 до 105 копий у разных видов (105 у амфибий). У человека - 300 генов, в которых закодированы rРНК.Все рибосомные гены, кроме генов 5S рибосомной РНК, сближены (т.е располагаются один за другим) и образуют несколько кластеров. Сначала синтезируется про-рРНК, после созревания которой образуются 28S, 18S и 5,8SrРНК.Интерфазные хромосомы в световой микроскоп не видны. Каждый ген прорибосомной РНК транскрибируется одновременно несколькими РНК-нолимеразами и тут же начинается процессинг.На электронномикроскопических фотографиях видна картина "рождественской елочки". Синтезируемые в ядре мРНК поступают на готовые рибосомы в цитоплазму, где синтезируются рибосомные белки, которые идут в ядро и путаются в "ветвях елки".Образуются рибосомные субъединицы. Одновременно в эукариотическом ядре находятся сотни тысяч субъединиц рибосом.
Особенности транскрипции эукариот. Единицей транскрипции у эукариот является отдельный ген, а не оперон, как у прокариот.Оператор, как таковой, отсутствует. Промотор есть, но он организован иначе.На расстоянии -25 п.н. от +1 нукл. находится ТАТА-бокс. Его позиция определяет точку инициации транскрипции. А на расстоянии -60-80 п.н. находится ЦААТ-бокс, который не является абсолютно необходимым, но присутствует перед большинством генов.Расстояние между ЦААТ и ТАТА большое и РНК-полимераза не способна накрыть всю эту область.ЦААТ опознается своим белком, а ТАТА - своим.Помимо этих есть еще несколько белков, называемых базальными факторами транскрипции.Базальные факторы транскрипции необходимы для инициации транскрипции всеми тремя ядерными РНК-полимеразами.Для любого гена, кодирующего белок, есть энхансеры (усилители). Энхансеры - это не непрерывные последовательности нуклеотидов. Существуют так называемые модули - это отдельные части энхансеров. Одинаковые модули могут встречаться в разных энхансерах. Для каждого энхансера набор модулей уникален. Модули - это короткие последовательности, не более 2-х витков спирали (20 п.н.), которые могут находиться перед, за и даже внутри гена. Таким образом, М1+М2+МЗ+М4 - один энхансер, но он состоит из 4-х модулей. Все 4 модуля узнаются своими белками, а они, сидя на ДНК, взаимодействуют друг с другом. Если в клетке присутствуют все соответствующие белки, то участку ДНК придается определенная конформация и начинается синтез мPHK. Все соматические клетки многоклеточного эукариотического организма имеют абсолютно одинаковый набор генов. Почему же клетки дифференцированы и специализированы? Дело в том, что все гены работают на фоновом уровне и не имеют фенотипического проявления. Экспрессируются лишь те гены, у которых все энхансерные модули узнаны своими белками и эти белки взаимодействуют друг с другом. Кроме энхансеров есть сайленсеры (ослабители). При соответствующем наборе белков экспрессия отдельных генов в клетке может быть пода
Механизм созревания мРНК
Краткий обзор: Матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК, синоним - информационная РНК , иРНК) - РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.
Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) - процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.
Экспрессия генов - это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт - РНК или белок. Некоторые этапы экспрессии генов могут регулироваться: это транскрипция, трансляция, сплайсинг РНК и стадия посттрансляционных модификаций белков.
Сплайсинг - это процесс, в котором из пре-мРНК удаляются участки, не кодирующие белок, называемые интронами; последовательности, которые остаются, несут информацию о структуре белка и называются экзонами. Иногда продукты сплайсинга пре-мРНК могут быть соединены разными способами, позволяя одному гену кодировать несколько белков. Этот процесс называется альтернативным сплайсингом.
Схема сплайсинга
Трансляяция - процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой.
Основная часть: Жизненный цикл молекулы мРНК начинается её «считыванием» с матрицы ДНК (транскрипция) и завершается её деградацией до отдельных нуклеотидов. Молекула мРНК в течение своей жизни может подвергаются различным модификациям перед синтезом белка (трансляцией). Эукариотические молекулы мРНК часто требуют сложной обработки и транспортировки из ядра - места синтеза мРНК, на рибосомы, где происходит трансляция, в то время как прокариотические молекулы мРНК этого не требуют и синтез РНК у них сопряжён с синтезом белка.
Транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразой, строящей, согласно принципу комплементарности, копию участка ДНК на основании одной из цепей двойной спирали. Этот процесс как у эукариот, так и у прокариот организован одинаково. Основное различие между про- и эукариотами состоит в том, что у эукариот РНК-полимераза во время транскрипции ассоциируется с мРНК-обрабатывающими ферментами, поэтому у них обработка мРНК и транскрипция могут проходить одновременно. Короткоживущие необработанные или частично обработанные продукты транскрипции называются пре-мРНК; после полной обработки - зрелая мРНК.
Созревание мРНК. Эукариотические пре-мРНК подвергаются интенсивным модификациям. Так, одновременно с транскрипцией происходит добавление на 5"-конец молекулы РНК специального модифицированного нуклеотида (кэпа), удаление определённых участков РНК (сплайсинг), а также добавление на 3"-конец адениновых нуклеотидов (так называемый полиадениновый, или поли(А)-, хвост). Обычно эти посттранскрипционные изменения мРНК эукариот обозначают термином «процессинг мРНК».
Кэпирование является первым этапом процессинга мРНК. Оно осуществляется, когда синтезируемый транскрипт достигает длины 25-30 нуклеотидов. Сразу после присоединения кэпа к 5"-концу транскрипта с ним связывается кэп-связывающий комплекс CBC (англ. cap binding complex), который остаётся связанным с мРНК до завершения процессинга и важен для всех последующих его этапов. В процессе сплайсинга из пре-мРНК удаляются не кодирующие белок последовательности - интроны. Полиаденилирование необходимо для транспорта большинства мРНК в цитоплазму и защищает молекулы мРНК от быстрой деградации (увеличивает время их полужизни). Лишённые поли(А)-участка молекулы мРНК (например, вирусные) быстро разрушаются в цитоплазме клеток эукариот рибонуклеазами.
После завершения всех стадий процессинга мРНК проходит проверку на отсутствие преждевременных стоп-кодонов, после чего она становится полноценной матрицей для трансляции. В цитоплазме кэп узнаётся факторами инициации, белками, отвечающими за присоединение к мРНК рибосомы, полиадениновый хвост связывается со специальным поли(А)-связывающим белком PABP1.
1. Геном прокариот
Основной чертой молекулярной организации прокариот является отсутствие в их клетках ядра, отгороженного ядерной мембраной от цитоплазмы. Отсутствие ядра является лишь внешним проявлением особой организации генома у прокариот.
Геном прокариот построен очень компактно. Количество некодирующих последовательностей нуклеотидов минимально. Многие механизмы регуляции экспрессии генов, использующиеся у эукариот, никогда не встречаются у прокариот. Простота строения генома прокариот объясняется их упрощенным жизненным циклом.
Ген - единица наследственной информации, занимающая определенное положение в геноме или хромосоме и контролирующая выполнение определенной функции в организме. По результатам исследования прокариот, главным образом Е. сoll, ген состоит из двух основных элементов: регуляторной части и собственно кодирующей части. Регуляторная часть гена обеспечивает первые этапы реализации генетической информации, заключенной в структурной части гена; структурная часть гена содержит информацию о структуре кодируемого данным геном полипептида. Количество некодирующих последовательностей в структурной части гена у прокариот минимально. 5"-конец прокариотического гена имеет характерную организацию регуляторных элементов, особенно на расстоянии 50 - 70 н.п. от точки инициации транскрипции. Этот участок гена называют промотором. Он важен для транскрипции гена, но сам в РНК не транскрибируется. Противоположный 3"-конец - терминаторная область, необходимая для тер-минации транскрипции. В РНК он также не транскрибируется. Транскрипция начинается со стартовой точки (+1).
Последовательности ДНК, являющиеся сигналами остановки транскрипции, находятся на 3"-конце гена и называются транскрипционнымитерминаторами. Они содержат последовательности, которые в транскрибируемой РНК формируют структуру шпильки.
Кроме хромосомы у большинства бактерий существуют другие способные к автономной репликации структуры - плазмиды. Это двуцепочечные кольцевые ДНК размером от 0,1 до 5% размера хромосомы, несущие гены, необязательные для клетки-хозяина, или гены, необходимые лишь в определенной среде. Именно такие внехромосомные элементы и содержат гены, которые придают клеткам наследуемую устойчивость к одному или нескольким антибиотикам. Они получили название факторов резистентности, или К-факторов. Другие плазмиды определяют болезнетворность патогенных бактерий, например патогенных штаммов Е. соli, возбудителей чумыи столбняка. Третьи - определяют способность почвенных бактерий использовать необычные источники углерода, например углеводороды нефти.
^ 2. Геном эукариот
Для клеток эукариот характерно наличие оформленного ядра. Информационной макромолекулой их генома является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. Однако генетическую информацию в клетках содержат не только хромосомы ядра. Жизненно важная генетическая информация заключена и во внехромосомных молекулах ДНК. У эукариот - это ДНК хлоропластов, митохондрий и других пластид. Под геномом эукариотического организма в настоящее время понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма.
Геном эукариот существенно отличается от генома прокариот по ряду признаков, среди которых необходимо отметить его избыточность. Эукариотическая клетка содержит во много раз больше генов, чем прокариотическая. Повышенное содержание ДНК в геноме эукариот нельзя объяснить лишь увеличением потребности этих организмов в дополнительной генетической информации в связи с усложнением организации, поскольку большая часть их геномной ДНК, как правило, представлена некодирующими последовательностями нуклеотидов. Феномен значительной избыточности генома эукариот в отношении некодирующих последовательностей нуклеотидов известен под названием «парадокса С».
Эукариотический ген можно рассматривать как совокупность сегментов ДНК, которые вместе составляют экспрессируемую единицу, ответственную за образование специфического функционального продукта - либо молекулы РНК, либо полипептида.
К сегментам ДНК, составляющим ген, относятся следующие элементы:
1.
Единица транскрипции – это участок ДНК, кодирующий
первичный транскрипт. Он включает: а) последовательность, которая обнаруживается в зрелых функциональных молекулах РНК; б) интроны (для мРНК); в) промежуточные последовательности - спейсеры (для рРНК). Интроны и спейсеры удаляются в
ходе процессинга первичных транскриптов; г) 5"- и 3"-нетранслируемые последовательности (5"-НТП и З"-НТП).
2.
Минимальные последовательности, необходимые для начала
транскрипции (промотор) и конца транскрипции (терминатор).
3.
Последовательности, регулирующие частоту инициации транскрипции, ответственные за индуцибельность и репрессию транскрипции, а также клеточную, тканевую и временную специфичность транскрипции. Они разнообразны по строению, положению и функциям. К их числу относятсяэнхансеры
и сайленсеры
- это последовательности ДНК, расположенные в
тысячах пар нуклеотидов от промотора эукариотического гена и
оказывающие дистанционное влияние на его транскрипцию.
В отличие от прокариотических генов, почти всегда коллинеарных своим РНК, многие гены эукариот имеют мозаичное строение. Под мозаичностью в данном случае подразумевается чередование кодирующих (экзоны) и некодирующих (вставочные последовательности, или интроны) последовательностей в пределах единицы транскрипции. Интроны чаще всего встречаются в генах, кодирующих белки.
Существенную часть генома эукариот (10 - 30%) составляют повторяющиеся последовательности, имеющие определенную структурную организацию и способные перемещаться в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Они получили название подвижных генетических элементов.
Различают два основных класса подвижных генетических элементов: транспозоны и ретротранспозоны. Такая классификация основана на молекулярных механизмах, с помощью которых перемещаются эти элементы.
^ 3. Геномы органелл эукариот: ДНК митохондрий и хлоропластов
Существуют два типа цитоплазматических ДНК: одни находятся в митохондриях эукариот, другие -в хлоропластах зеленых растений и водорослей. Как и все цитоплазматические элементы, они наследуются по материнской линии, а не по законам Менделя! Большая часть белков этих органелл, закодированная в ядерной ДНК, синтезируется в цитоплазме и затем переходит в органеллу. Однако некоторые белки митохондрий и хлоропластов и все их РНК кодируется в ДНК самих органелл и в них же синтезируются. Таким образом, органеллы - это результат объединенных усилий двух геномов и двух трансляционных аппаратов. РНК-компоненты рибосом органелл, а также тРНК, использующиеся при трансляции, кодируются геномами митохондрий и хлоропластов.
Размеры генома хлоропластов у всех исследованных организмов сходны, тогда как митохондриальные геномы у растений намного больше, чем у животных.
Все митохондрии и хлоропласты содержат по несколько копий собственной геномной ДНК. Эти молекулы ДНК обычно распределены в виде отдельных групп в матриксе митохондрий и в строме хлоропластов, где они прикреплены к внутренней мембране. Способ упаковки ДНК неизвестен. По структуре геном более сходен с бактериальным геномом: например, как и у бактерий, у них нет гистонов.
Геном эукариот устроен намного сложнее, чем у прокариот. Генетический аппарат эукариотической клетки обособлен в виде клеточного ядра, внутри которого располагаются основные носители наследственности — хромосомы. Количество хромосом видоспецифично и колеблется от двух (лошадиная аскарида) до тысячи (низшие растения). Количество ДНК в клетках эукариот намного выше, чем у бактерий. Оно оценивается с помощью величины С — количества ДНК на гаплоидное число хромосом, т.е. на геном. Оно колеблется у разных видов от 10 4 до 10 11 и часто не коррелирует с уровнем организации вида. Самые большие значения величины С, превышающие содержание ДНК в геноме человека, характерны для некоторых рыб, хвостатых амфибий, лилейных.
Одной из особенностей генома эукариот является структурная и функциональная связь ДНК с белками . Она обусловлена особенностями процесса передачи генетической информации и регуляторной функцией белков. Информация передается от клетки к клетке в процессе сложного процесса клеточного деления (митоза или мейоза). Для полного и точного распределения ее между дочерними клетками в интерфазе происходит процесс удвоения количества ДНК, а в начале деления (профазе) — процесс конденсации интерфазных хромосом. В итоге хромосомы приобретают вид компактных плотных тел. Компактизация хромосом исключает риск их запутывания во время расхождения к разным полюсам в анафазе. В этих структурных преобразованиях хромосом участвуют ядерные белки — гистоны, которые осуществляют суперспирализацию ДНК. Гистоны выступают также в качестве регуляторов матричной активности интерфазных хромосом, т.к. связь гистона с функционирующим участком хромосомы переводит его в гетерохроматическое, т.е. сильно спирализованное и, следовательно, неактивное состояние.
Присутствие в составе эукариотических хромосом белков, количество которых удваивается синхронно с удвоением ДНК, делает процесс репликации хромосом более длительным.
Характерной особенностью генома эукариот является избыточность ДНК , количество которой намного превышает то, которое необходимо для кодирования структуры всех клеточных белков. Одной из причин избыточности является наличие повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Их существование впервые было установлено в конце 60-х гг. ХХ в. американскими исследователями Р. Бриттеном и Д. Девидсоном при изучении кинетики ренатурации ДНК (воссоединения одиночных цепей). В настоящее время установлено, что в составе эукариотической ДНК присутствуют два типа повторов — умеренноповторяющиеся п.н. и высокоповторяющиеся п.н. Умеренные повторы встречаются в виде десятков и сотен копий; средний размер их составляет ≈ 300-400 п.н. Они могут быть прямыми и инвертированными (палиндромы). Между повторами располагаются неповторяющиеся участки ДНК. Высокоповторяющиеся п.н. представляют собой короткие фрагменты ДНК (десятки п.н.), которые представлены большим количеством копий (до 106). В ряде случаев состав оснований в этих повторах отличается от такового в геноме в целом, в результате чего повторы могут образовывать отдельную фракцию с определенной плавучей плотностью. Эта фракция называется сателлитной ДНК. Она никогда не транскрибируется, в связи с чем ее называют также “молчащей”. Установлено, что сателлитная ДНК локализована в гетерохроматических районах хромосом: в теломерах, около центромеры, в ядрышке. Считается, что она выполняет регуляторную функцию, обеспечивая структурные преобразования хромосом во время процесса передачи генетической информации от клетки к клетке.
Избыточность ДНК в геноме эукариот в значительной мере создается также за счет того, что в его составе много нуклеотидных последовательностей, которые не кодируют структуру белков. Некоторые из них входят в состав генов, как например, интроны — вставки. Кроме того, есть так называемые сигнальные последовательности, которые не транскрибируются, а служат лишь для связывания белков-регуляторов. К их числу относятся промоторы, участки, контролирующие спирализацию хромосом; участки прикрепления хромосом к веретену и др.
Лишь немногие гены присутствуют в эукариотическом геноме в единственной копии. Основная их масса представлена разным числом копий. Расположенные рядом идентичные гены образуют кластеры . Существование кластеров говорит о большой роли дупликаций генов в эволюции геномов. Пример кластеров: гены белков эритроцитов — глобинов. Гемоглобин является тетрамером, состоящим из 4-х полипептидных цепей: 2α и 2β. Каждый тип цепей кодируется генами, организованными в кластер. У человека α-кластер располагается в 11-й хромосоме, а β-кластер — в 16-й хромосоме. β-кластер занимает участок ДНК в 50 тыс. п.н. и включает в себя пять функционально активных генов и один псевдоген. Псевдогены — это нефункционирующие, реликтовые гены, произошедшие в результате мутационных изменений от некогда активных генов. Они не экспрессируются. Гены в составе кластера отделены друг от друга спейсерами — нетранскрибируемыми вставками, в которых иногда могут присутствовать регуляторные участки.
Основным отличием эукариотических генов от генов прокариот является то, что большинство из них имеют прерывистую структуру и состоят из кодирующих участков — экзонов и некодирующих вставок — интронов . Длина экзонов от 100 до 600 п.н., а интронов — от нескольких десятков до многих тысяч п.н. Интроны могут составлять до 75% от длины гена. Прерывистая структура генов создает основу для более тонкого контроля их работы.
В результате транскрипции прерывистых генов образуется первичный продукт — про-иРНК, которая является полной копией гена и содержит в себе участки, соответствующие как экзонам, так и интронам. В процессе транскрипции участвуют три разных типа РНК-полимераз, которые считывают разные гены. РНКП-I считывает гены, кодирующие структуру разных форм рРНК (5,8S, 18S, 28S). РНКП-II ведет транскрипцию генов, кодирующих структуру белков и некоторых мяРНК. И, наконец, РНКП-III считывает гены 5S рРНК, транспортных РНК и мяРНК. В инициации процесса транскрипции принимает участие белковый комплекс, состоящий из различного числа белковых факторов транскрипции. У млекопитающих в его состав входят 12-14 полипептидов с общей массой в 600 кДА. В регуляции интенсивности транскрипции принимают участие специфические регуляторные участки — энхансеры и сайленсеры . Первые усиливают, вторые ослабляют процесс транскрипции. Они могут быть удалены от промотора на тысячи п.н. Под их контролем синтезируются регуляторные белки. В процессе транскрипции промотор и энхансер (или сайленсер) сближаются за счет структурных изменений ДНК, и регуляторные белки взаимодействуют с факторами транскрипции или с РНК-полимеразой.
Для того, чтобы про-иРНК могла играть роль матрицы для синтеза белка, она должна пройти период созревания (процессинг). Главное событие этого периода — удаление из про-иРНК участков, соответствующих интронам, и соединение в единую цепочку оставшихся экзонов. Процесс “сшивания” экзонов называется сплайсингом . В осуществлении сплайсинга большая роль принадлежит малым ядерным РНК (мяРНК) и белкам. Процесс протекает аналогично у всех эукариот. Молекулы мяРНК комплементарно взаимодействуют как с про-иРНК, так и друг с другом. Они обеспечивают удаление интронов и удерживают экзоны вблизи друг от друга.
Процесс сплайсинга может носить альтернативный характер, т.е. сшивание экзонов может осуществляться в разных комбинациях. Многие гены содержат десяток и более экзонов, поэтому число вариантов зрелой иРНК = 2 n , где n — число экзонов. Альтернативный сплайсинг делает систему записи информации экономичной, так как с одного гена можно считывать информацию для синтеза разных белков. Кроме того, он создает возможность регулирования потока информации в зависимости от потребности клетки в том или ином белковом продукте. Альтернативный сплайсинг, в частности, используется при синтезе иммуноглобулинов, факторов транскрипции и других белков.
Полное созревание иРНК включает модификацию обоих ее концов: навешивание кэп-структуры с 5"-конца и присоединение полиадениловой цепочки с 3"-конца. Кэп-структура образуется за счет присоединения к концевому основанию иРНК 5"-конца гуанинового нуклеотида.
Механизм трансляции у эукариот принципиально не отличается от прокариотического. Однако в обслуживании этого этапа синтеза белка принимает участие значительно большее количество белковых факторов трансляции, чем у бактерий.
При характеристике структуры генома эукариот нельзя не сказать о специализированных концевых участках хромосом — теломерах. Теломерная ДНК состоит из многократно повторяющихся коротких блоков нуклеотидов. Впервые теломерная ДНК была изучена у одноклеточных простейших.
В ее состав входят блоки по 6-8 пар нуклеотидов. В одной цепи — это блок TTGGGG (G-богатая цепь), в другой — AACCCC (C-богатая цепь). У человека эта последовательность отличается одним основанием TTAGGG, у растений имеется универсальный блок TTTAGGG. Протяженность теломерной ДНК у человека колеблется от 2 до 20 тыс. п.н. Теломерная ДНК никогда не транскрибируется и входит в состав сателлитной ДНК. С теломерными районами хромосом взаимодействует фермент теломераза, который устраняет возникающие в них повреждения. С укорочением теломер в результате потери концевых участков, вызванной снижением активности этого фермента, связывают процесс старения клеток.
Существенным отличием функционирования эукариотического генома по сравнению с прокариотическим является многоуровневый характер регуляции действия генов. У прокариот возможен только один тип регуляции — на уровне транскрипции с помощью оперонной системы. У эукариот, благодаря прерывистой структуре генов, к этому типу регуляции добавляется еще посттранскрипционная (сплайсинг, модификация) регуляция и регуляция на уровне трансляции (неоднозначность трансляции). Кроме того, присутствие в хромосомах гистонов позволяет осуществлять групповой контроль за действием генов с помощью механизма структурных преобразований ДНК — перевода участков хромосом из активного (эухроматического) в неактивное (гетерохроматическое) состояние. Такие преобразования иногда затрагивают целые хромосомы и даже весь геном целиком. В качестве примера хромосомного уровня регуляции можно привести образование в клетках женского пола млекопитающих и человека полового хроматина (тельца Барра). Это — крупная гранула хроматина, представляющая собой одну из двух Х-хромосом, максимально конденсированную, и, следовательно, неактивную. Примером инактивации всего генома служит процесс спермиогенеза у животных, во время которого конденсацией охвачены все хромосомы сперматозоида, что делает их неактивными. Это является защитным механизмом для половых клеток в случае повреждения их ДНК (например, при облучении). Возникающие в них мутации, если они не летальны, могут проявиться только при восстановлении функциональной активности мужского генома при дифференциации зародыша. Однако рецессивность большинства мутаций отодвигает их возможное проявление, по крайней мере, до следующего поколения (до перехода в гомозиготное состояние) или вообще исключает его.
Загрузка...