Будова гена. Основні закономірності функціонування генів у прокаріотів й еукаріотів

"Будова гена. Основні закономірності функціонування генів у прокаріотів й еукаріотів"

В міру розвитку генетики і накопичення знань про генетичні процеси уявлення про ген як одиницю спадковості, введене в науковий вжиток у 1909 p. Спочатку гени у хромосомах уявляли як нитку з намистинок, механічно зв’язаних одна з одною. Лише деякі тогочасні вчені розглядали хромосому як величезну молекулу, в якій гени були окремими ділянками. При цьому вони вважали ген чимось неподільним і відтак мутації такими, що стосувалися гена в цілому. У цей період ще ніхто не знав, що ДНК і є речовиною — носієм генетичної інформації. Спадковою речовиною тоді вважали білки. Тільки наприкінці 30-х років XX ст. з’явилися перші відомості про те, що ген подільний. Відповідні дослідження провели видатний російський генетик Олександр Сергійович Серебровський (1892—1948) та його учні. Вони вивчали мутації, які призводили до зникнення щетинок на тілі дрозофіли. Вивчення мінливості різних груп щетинок наштовхнуло на думку, що вони кодуються різними алелями одного і того самого гена, причому ці алелі утворюються в результаті мутування різних субодиниць цього гена. Надалі виявилося, що кросинговер може роз’єднати не тільки різні гени, а й проходити безпосередньо всередині гена. Це також підтвердило подільність гена. Структурний ген, або, як його ще називають, локус — це ділянка ДНК, що складається із специфічної послідовності нуклеотидів і має специфічний вплив на один або кілька ознак організму.

Сучасні уявлення про будову структурного гена

Подальші дослідження однозначно довели, що структурні гени — справді ділянки ДНК, на яких відбувається синтез РНК. Залежно від того, який тип РНК синтезується, виділили різні типи генів. Білковими генами, або білковими локусами - на ділянках ДНК відбувається синтез іРНК, яка є матрицею для синтезу білків. Структурний ген містить у середньому не менше тисячі пар нуклеотидів, що дає змогу закодувати один поліпептидний ланцюг, який складається з близько 300 амінокислот.  Якщо на ділянці ДНК відбувається синтез транспортних РНК, то це гени (локуси) тРНК. Якщо здійснюється синтез рибосомальних РНК — то це гени (локуси) рРНК.

Мал. 1 Розташування ядерець (чорні кружки) на хромосомах людини.

Ділянки, де перебувають гени, що кодують рРНК, називають ядерцями. Їх може бути від однієї до кількох пар (мал. 1), розміщуються вони на різних хромосомах тварин і людини. Ядерця добре помітні тому, що на певній ділянці ДНК збирається кілька генів, кожний з яких кодує певний тип рРНК. Ці групи називають кластерами (від англ. скупчення). Через те, що будь-яка клітина потребує величезної кількості рРНК, що використовується для побудови рибосом, кожний з генів рРНК продубльований кілька разів і до того ж ампліфікований, тобто представлений кількома копіями нуклеотидних послідовностей, які реплікувалися зі структурних генів. Ділянки ДНК, які у процесі дозрівання іРНК вирізаються, дістали назву інтронів (від англ. intervening sequence — проміжна послідовність), а ті, що потім зшиваються і служать матрицею для трансляції, — екзонів (від англ. expression — вираження) (мал. 2). Зазвичай у нуклеотидній послідовності одного локусу, що кодує білок, налічують три — п’ять інтронів. Така інтронно-екзонна структура генів характерна тільки для еукаріотичних організмів, у бактерій її немає. Оскільки інтронно-екзонна організація є властивістю генів лише еукаріотів — прогресивне еволюційне пристосування еукаріотичних організмів. Вважають, що, насамперед, це може бути механізмом, який обмежує мутаційний процес. При цьому інтрони виконують функцію «пасток» мутацій. Адже зміна нуклеотидних послідовностей у частинах структурного гена, що не кодується, не призведе до мутацій і появи амінокислотних замін. Крім того, якщо в одному з екзонів і відбудеться вставлення або випадіння нуклеотида, то це спричинить зсув рамки синтезу не всієї іРНК, а тільки якоїсь її частини, тобто ефект буде не таким вже й згубним.

Мал. 2 Тонка структура гена і схема дозрівання іРНК, пов’язана з вирізанням інтронів.

Що таке регуляторні гени

Регуляторні гени - визначають початок, швидкість і послідовність процесів синтезу РНК на матриці ДНК. Вони є місцем прикріплення ферментів та інших білків, які беруть участь у реплікації і транскрипції, регулюють активність генів. Регуляторні гени невеликі, включають лише 20—80 пар нуклеотидів кожний, а тому порівняно із структурними генами займають набагато менше місця у геномі. Проте без цих генів, які не кодують специфічні білки, а тільки регулюють процеси реплікації ДНК, взаємодію ДНК з певними білками і ферментами, проходження кон’югації хромосом, так само неможливе функціонування генетичного апарату, як без гормонів (речовин, синтезованих організмом у мінімальних кількостях) — життєдіяльність людського організму.

Розміри геномів

Розміри геномів і кількість генів у різних організмів. Під геномом розуміють увесь генетичний матеріал одного гаплоїдного набору хромосом. Зазвичай організми диплоїдні й відповідно мають два геноми: одержаний від матері і одержаний від батька. Хоч бувають організми з трьома геномами — триплоїдні, чотирма — тетраплоїдні й так далі. Розмір геному, який прийнято оцінювати за кількістю ДНК, що міститься в ядрі, має чітку тенденцію до збільшення в міру ускладнення організації живих організмів. Геном бактерії кишкової палички налічує 4,6 млн, геном дрозофіли — 130 млн, а геном людини — 3,2 млрд нуклеотидних пар. У цілому ссавці мають найбільші геноми. Проте з будь-якого правила, як кажуть, є винятки. Найбільший геном виявлений у дводишної риби протоптеруса. Він включає 130 млрд нуклеотидних пар. Зростання розмірів геному майже завжди супроводжується збільшенням кількості генів. Якщо в кишкової палички структурних генів близько 1 тис., у дрозофіли їх кількість може досягати 10 тис., то в геномі людини їх 20—25 тис., а у рослин — до 50 тисяч.

Організація геному

Яким же чином розташовуються гени у геномі? Дослідження, проведені у другій половині XX ст., нарешті висвітлили це питання. Насамперед було встановлено, що ДНК у клітинах будь-яких організмів набагато більше, ніж необхідно для забезпечення структурних генів. Навіть якщо до структурних генів додати регуляторні, то однаково виявиться, що надлишкова ДНК становить більшу частину геному. Причому, якщо у кишкової палички ДНК, на яку припадають структурні гени, становить близько 15—20 % усієї ДНК геному, то в дрозофіли — 5—10 %, а в людини — 2—5 % . Причини надмірної кількості ДНК у геномі дотепер не мають однозначного пояснення. Крім того, встановлено, що геном складається з послідовностей нуклеотидів, що відрізняються своєю унікальністю.  Сучасні уявлення про структуру гена та організацію геному виглядають таким чином. Гени поділяють на структурні й регуляторні. Геном складається з послідовностей нуклеотидів із різним ступенем повторюваності: унікальні (структурні гени), середньоповторювані (гени рРНК і тРНК, гістони) та високоповторювані (частина, що не кодує ДНК).

Задача 1. Классическая гемофилия передается как рецессивный, сцепленный с Х-хромосомой, признак. Мужчина, больной гемофилией, женился на здоровой женщине (все ее предки были здоровы). У них родилась здоровая дочь. Определить вероятность рождения больного гемофилией ребенка от брака этой дочери со здоровым мужчиной. Решение: А – нормальная свертываемость, а – гемофилия.

1. Мужчина болен гемофилией, следовательно, его генотип – Х^аY.

2. Женщина здорова, значит, она несет доминантный ген А. Все ее предки были здоровы (чистая линия), следовательно, она не является носительницей, и ее генотип – Х^AХ^A.

3. Одну Х-хромосому дочь получила от матери, другую от отца. Мать могла передать ей только хромосому Х^A, а отец – только Х^a. Генотип дочери – Х^AХ^a.

4. Генотип мужа дочери – Х^AY, по условию задачи.

Схема брака