Štruktúra génov prokaryotov a eukaryotov. Vlastnosti organizácie génov pro- a eukaryotov

FSBEI HPE "Penza State University"

Pedagogický inštitút pomenovaný po V.G.Belinský

odbor "Biológia, metódy vyučovania biológie a BZD"

Práca na kurze v odbore "Biológia"

". Štruktúra prokaryotického operónu. ... Aktivátor, promótor, operón a terminátor. Štartovací kodón, terminátor "

Penza-2013

Úvod

Vlastnosti organizácie génov pro- a eukaryotov

Štruktúra prokaryotického operónu

Regulačné oblasti a štruktúrne gény

Aktivátor, promótor, operátor a terminátor

Štartovací kodón, terminátor

Záver

Bibliografia

Úvod:

Štúdium štruktúry génu a jeho expresia sú v súčasnosti jedným z hlavných smerov modernej genetiky. Ale ako to už pri rýchlom rozvoji každého vedného odboru býva, obrovský tok získaných faktov nie je okamžite pochopený, odhalené rozpory nie sú okamžite vyriešené a zavedená terminológia nie je okamžite rozpoznaná. Jeden a ten istý jav má niekedy toľko rôznych názvov, že podľa nich možno ľahko určiť počet výskumníkov, ktorí tento jav skúmali.

Približne táto situácia sa teraz vyvíja smerom, ktorý objasňuje štruktúru a funkciu jednotlivého génu a genómu živých bytostí.

Existuje mnoho definícií génu, ale žiadna z nich úplne nevyhovuje všetkým vedcom. Budeme sa držať definície, ktorú uviedli M. Singer a P. Berg v knihe „Gény a genómy“ (1998). Je formulovaný nasledovne. "Gén je súbor segmentov DNA, ktoré určujú tvorbu buď molekuly RNA alebo proteínového produktu." V tejto definícii sa predovšetkým jednoznačne zdôrazňuje, že gén nie je jeden súvislý kus DNA, ale súbor niekoľkých segmentov (kúskov) DNA. A po druhé, gén nesie informácie nielen o štruktúre polypeptidu, ale aj o štruktúre akejkoľvek RNA. V tomto prípade nemusí obsahovať informácie o štruktúre proteínu.

Vlastnosti organizácie génov pro- a eukaryotov

Genóm moderných prokaryotických buniek je relatívne malý. V Escherichia coli je reprezentovaná kruhovou molekulou DNA s dĺžkou asi 1 mm, ktorá obsahuje 4 × 106 párov báz, tvoriacich asi 4000 génov. Väčšina prokaryotickej DNA (asi 95 %) sa aktívne prepisuje v akomkoľvek danom čase. Ako bolo uvedené vyššie, genóm prokaryotickej bunky je organizovaný vo forme nukleoidu - komplexu DNA s nehistónovými proteínmi.

V eukaryotoch je množstvo dedičného materiálu oveľa väčšie. U kvasiniek je to 2,3 107 bp, u človeka je celková dĺžka DNA v diploidnom chromozómovom súbore buniek asi 174 cm.Jej genóm obsahuje 3 × 109 bp. a zahŕňa podľa najnovších údajov 30-40 tisíc génov.

U niektorých obojživelníkov a rastlín sa genóm vyznačuje ešte väčšími veľkosťami, ktoré dosahujú 1010 a 1011 bp. Na rozdiel od prokaryotov eukaryotické bunky súčasne aktívne prepisujú 1 až 10 % DNA. Zloženie transkribovaných sekvencií a ich počet závisí od typu bunky a štádia ontogenézy. Významná časť nukleotidových sekvencií v eukaryotoch nie je prepisovaná vôbec – tichá DNA.

Veľký objem dedičného materiálu eukaryotov sa vysvetľuje tým, že v ňom existujú okrem unikátnych aj stredne a vysoko sa opakujúce sekvencie. Približne 10 % myšacieho genómu teda pozostáva z tandemovo umiestnených (jedna po druhej) krátkych nukleotidových sekvencií opakovaných až 106-krát. Tieto vysoko opakujúce sa sekvencie DNA sa nachádzajú primárne v heterochromatíne obklopujúcom centromérne oblasti. Nie sú prepísané. Asi 20 % myšacieho genómu je tvorených strednými opakovaniami, ktoré sa vyskytujú s frekvenciou 103-105-krát.

Takéto opakovania sú distribuované v celom genóme a sú transkribované do RNA. Patria sem gény, ktoré riadia syntézu histónov, tRNA, rRNA a niektorých ďalších. Zvyšných 70 % myšacieho genómu predstavujú jedinečné nukleotidové sekvencie. U rastlín a obojživelníkov tvoria stredne a vysoko sa opakujúce sekvencie až 60 % genómu.

Redundancia eukaryotického genómu sa vysvetľuje aj organizáciou exón-intrón väčšiny eukaryotických génov, v ktorej sa významná časť transkribovanej RNA odstráni počas spracovania po syntéze a nepoužíva sa na kódovanie aminokyselinových sekvencií proteínov.

V súčasnosti ešte nie sú úplne objasnené funkcie tichej DNA, ktorá tvorí významnú časť genómu, replikuje sa, ale nie je prepisovaná. Uvádzajú sa návrhy o definitívnej úlohe takejto DNA pri zabezpečovaní štruktúrnej organizácie chromatínu. Niektoré z neprepísaných nukleotidových sekvencií sa zjavne podieľajú na regulácii génovej expresie.

Pri charakterizácii dedičného materiálu prokaryotickej bunky ako celku je potrebné poznamenať, že je obsiahnutý nielen v nukleoide, ale je prítomný aj v cytoplazme vo forme malých kruhových fragmentov DNA - plazmidov. V prokaryotických (bakteriálnych) bunkách sa našli plazmidy, ktoré nesú dedičný materiál, ktorý určuje vlastnosti, ako je schopnosť baktérií konjugovať sa, ako aj ich odolnosť voči určitým liečivým látkam.

V eukaryotických bunkách je extrachromozomálna DNA reprezentovaná genetickým aparátom organel – mitochondrií a plastidov, ako aj nukleotidovými sekvenciami, ktoré nie sú pre bunku životne dôležité (vírusom podobné častice). Dedičný materiál organel je v ich matrici vo forme niekoľkých kópií kruhových molekúl DNA, ktoré nie sú spojené s histónmi. Mitochondrie napríklad obsahujú 2 až 10 kópií mtDNA.

Extrachromozomálna DNA tvorí len malú časť dedičného materiálu eukaryotickej bunky. Napríklad ľudská mtDNA obsahuje 16 569 bp. a predstavuje menej ako 1 % všetkej bunkovej DNA.

Na rozdiel od chromozomálnej DNA sa mtDNA vyznačuje vysokou „hustotou génov“. Nemajú žiadne intróny a medzigénové medzery sú malé. Ľudská kruhová mtDNA obsahuje 13 génov kódujúcich proteíny (3 podjednotky cytochróm C oxidázy, 6 zložiek ATPázy atď.) a 22 génov tRNA. Významná časť mitochondriálnych a plastidových proteínov sa syntetizuje v cytoplazme pod kontrolou genómovej DNA.

Zatiaľ čo väčšina jadrových génov je prítomná v bunkách tela v dvojitej dávke (alelické gény), mitochondriálne gény sú reprezentované mnohými tisíckami kópií na bunku.

Mitochondriálny genóm sa vyznačuje interindividuálnymi rozdielmi, ale v bunkách jedného jedinca je mtDNA spravidla identická. Súbor génov umiestnených v molekulách cytoplazmatickej DNA sa nazýva plazmón. Definuje špeciálny typ dedičnosti znakov – cytoplazmatickú dedičnosť.

Všeobecné princípy organizácie dedičného materiálu reprezentovaného nukleovými kyselinami, ako aj princípy zaznamenávania genetickej informácie u pro- a eukaryotov svedčia v prospech jednoty ich pôvodu od spoločného predka, v ktorom sa problém samo- reprodukcia a záznam informácií na základe replikácie DNA a univerzálnosť genetického kódu už bola vyriešená. Genóm takéhoto predka si však zachoval veľké evolučné možnosti spojené s rozvojom nadmolekulárnej organizácie dedičného materiálu, rôznymi spôsobmi realizácie dedičných informácií a reguláciou týchto procesov.

Početné náznaky rozdielov v organizácii genómu, podrobnosti o procesoch génovej expresie a mechanizmoch jej regulácie u pro- a eukaryotov svedčia v prospech evolúcie týchto typov buniek v rôznych smeroch po ich divergencii od spoločného predka.

Existuje predpoklad, že v procese vzniku života na Zemi bolo prvým krokom vytvorenie samoreprodukujúcich sa molekúl nukleových kyselín, ktoré pôvodne neniesli funkciu kódovania aminokyselín v bielkovinách. Vďaka schopnosti samoreplikácie sa tieto molekuly časom zachovali. Prvotná selekcia teda smerovala k schopnosti zachovať sa prostredníctvom sebareprodukcie. V súlade s uvažovaným predpokladom neskôr niektoré oblasti DNA nadobudli funkciu kódovania, t.j. sa stali štrukturálnymi génmi, ktorých súhrn v určitom štádiu evolúcie tvoril primárny genotyp.

Expresia výsledných kódujúcich sekvencií DNA viedla k vytvoreniu primárneho fenotypu, ktorý bol prirodzeným výberom hodnotený na schopnosť prežiť v konkrétnom prostredí.

Dôležitým bodom v uvažovanej hypotéze je predpoklad, že podstatnou zložkou prvých bunkových genómov bola nadbytočná DNA, schopná replikácie, ale nenesie funkčnú záťaž vo vzťahu k tvorbe fenotypu. Predpokladá sa, že rôzne smery evolúcie pro- a eukaryotických genómov sú spojené s odlišným osudom tejto nadbytočnej DNA genómu predkov, ktorý sa mal vyznačovať dostatočne veľkým objemom. Pravdepodobne v počiatočných štádiách vývoja najjednoduchších bunkových foriem neboli hlavné mechanizmy toku informácií (replikácia, transkripcia, preklad) ešte dokonale vyvinuté. Redundancia DNA za týchto podmienok vytvorila možnosť rozšírenia objemu kódujúcich nukleotidových sekvencií na úkor nekódujúcich, čo poskytlo vznik mnohých možností riešenia problému tvorby životaschopného fenotypu.

Štruktúra prokaryotického operónu

Operón je spôsob organizácie genetického materiálu v prokaryotoch, pri ktorom sú cistróny (gény, transkripčné jednotky) kódujúce spoločne alebo sekvenčne fungujúce proteíny kombinované pod jedným (alebo viacerými) promótormi. Táto funkčná organizácia umožňuje efektívnejšie regulovať expresiu (transkripciu) týchto génov.

Koncept operónu pre prokaryoty navrhli v roku 1961 francúzski vedci Jacob a Monod, za čo v roku 1965 dostali Nobelovu cenu.

Operóny podľa počtu cistrónov sa delia na mono-, oligo- a polycistrónne, ktoré obsahujú iba jeden, niekoľko alebo veľa cistrónov (génov).

Operón prokaryotov zahŕňa štruktúrne gény a regulačné prvky. Štrukturálne gény kódujú proteíny, ktoré postupne uskutočňujú kroky biosyntézy látky. Tieto gény môžu byť jeden, dva alebo niekoľko. Sú na seba úzko prepojené a čo je najdôležitejšie, pri transkripcii fungujú ako jeden jediný gén: syntetizuje sa na nich jedna spoločná molekula mRNA, ktorá sa až potom štiepi na niekoľko mRNA zodpovedajúcich jednotlivým génom. Regulačné prvky sú nasledovné:

promótor - miesto väzby enzýmu, ktorý prepisuje DNA - RNA polymerázu. Je to východiskový bod pre transkripciu. Ide o krátku sekvenciu niekoľkých desiatok nukleotidov DNA, s ktorou sa špecificky viaže RNA polymeráza. Okrem toho promótor určuje, ktoré z dvoch reťazcov DNA bude slúžiť ako templát pre syntézu mRNA;

operátor - miesto, ku ktorému je pripojený represor, ktorý bráni RNA polymeráze v pohybe po DNA.

terminátor - miesto, v ktorom sa RNA polymeráza oddeľuje od DNA.

Laktózový operón objavili Jacob, Monod a Ľvov v roku 1961. Jeho práca:

Keď v médiu nie je laktóza, E. coli neprodukuje enzýmy potrebné na jej štiepenie, pretože k operátoru je pripojený represor, ktorý zabraňuje transkripcii.

Keď sa laktóza objaví v médiu, spojí sa s represorovým proteínom, denaturuje a odpojí sa od operátora. Teraz už nič nebráni RNA polymeráze vytvárať mRNA, na ktorej ribozómy okamžite vytvárajú proteíny.

Proteíny-enzýmy rozkladajú laktózu, vrátane tej, ktorá bola pripojená k represoru, vracia sa na svoje miesto, transkripcia sa zastaví.

Práca operátora tohto operónu je ovplyvnená nezávislým regulačným génom, ktorý syntetizuje zodpovedajúci regulačný proteín. Tento gén nie je nevyhnutne umiestnený vedľa operónu. Okrem toho môže jeden regulátor regulovať transkripciu niekoľkých operónov. Regulačný gén má tiež svoj vlastný promótor a terminátor.

Regulačné proteíny sú dvoch typov: represorový proteín alebo aktivačný proteín. Pripájajú sa na špecifické nukleotidové sekvencie DNA operátora, ktoré buď interferujú s génovou transkripciou (negatívna, negatívna regulácia), alebo ju podporujú (pozitívna, pozitívna regulácia); mechanizmy ich práce sú opačné. Okrem toho efektorové látky môžu ovplyvňovať prácu represorových proteínov: spojením s represorom ovplyvňujú jeho interakciu s operátorom.

Regulačné oblasti a štruktúrne gény

Štrukturálne gény – obsahujú informácie o štruktúre proteínu. U prokaryotov obsahuje jeden operón gény niekoľkých proteínov potrebných na realizáciu akejkoľvek biochemickej reakcie.

Genetické informácie o štruktúre bielkovín a nukleových kyselín vo všetkých organizmoch obsahujú molekuly DNA alebo RNA vo forme sekvencií nukleotidov tzv. génov<#"290" src="doc_zip1.jpg" />

Tento typ regulácie syntézy enzýmov sa nazýva indukcia a látka, ktorá túto syntézu spôsobuje, sa nazýva induktor. Jedným z najnázornejších príkladov tohto typu regulácie je laktózový operón E. coli, skupina génov, ktoré riadia syntézu enzýmov, ktoré katabolizujú mliečny cukor – laktózu. Doslova niekoľko minút po pridaní laktózy do kultivačného média pre E. coli baktérie začnú produkovať tri enzýmy: galaktozid permeázu, beta-galaktozidázu a galaktozid transacetylázu. Akonáhle sa zásoby laktózy v prostredí vyčerpajú, syntéza enzýmov sa okamžite zastaví.

Uvedený príklad bude jasnejší pri uvažovaní o schéme laktózového operónu (obr. 81), ktorého štúdium umožnilo francúzskym vedcom F. Jacobovi a J. Monodovi rozvinúť samotný koncept operónu a objasniť základné princípy transkripčná regulácia u prokaryotov. Operón začína miestom A, ktoré je určené na pripojenie určitého aktivačného proteínu, ktorý je naopak potrebný na pripojenie k ďalšiemu promótoru (P) RNA polymerázy po mieste A. Za promótorom, ktorého nukleotidová sekvencia je rozpoznávaná RNA polymerázou, nasleduje operátor (O), ktorý hrá dôležitú úlohu pri transkripcii operónových génov, keďže sa naň viaže regulačný represorový proteín.

Za operátorom nasledujú štruktúrne gény pre tri vyššie uvedené enzýmy. Operón končí terminátorom, ktorý zastaví postup RNA polymerázy a transkripciu operónu.

V bunke sa neustále syntetizuje malé množstvo regulačného represorového proteínu, takže v cytoplazme nie je súčasne prítomných viac ako 10 jeho molekúl. Tento proteín má afinitu k nukleotidovej sekvencii v oblasti operátora a rovnakú afinitu k laktóze. V neprítomnosti laktózy sa represorový proteín viaže na miesto operátora a bráni RNA polymeráze v pohybe pozdĺž DNA: mRNA sa nesyntetizuje a enzýmy sa tiež nesyntetizujú. Po pridaní laktózy do média sa represorový proteín naň viaže rýchlejšie ako na miesto operátora: miesto operátora zostáva voľné a neinterferuje s postupom RNA polymerázy. Prebieha prepis a vysielanie. Syntetizované enzýmy transportujú a rozkladajú laktózu do bunky. Po spotrebovaní všetkej laktózy nie je nič, čo by viazalo proteín-rep prameňov a opäť sa naviaže na operátora, čím sa zastaví transkripcia operónu. Indukcia operónu je teda spôsobená skutočnosťou, že regulačný proteín sa nenaviaže na operátor. Tento typ indukcie sa nazýva negatívna indukcia.

Ďalším známym typom indukcie je pozitívna indukcia. Charakteristický je pre iné operenie Escherichia coli, kódujúce enzýmy pre katabolizmus ďalšieho cukru – arabinózy. Tento operón je štrukturálne veľmi podobný predchádzajúcemu. Rozdiel v regulácii spočíva v tom, že arabinóza pridaná do média interaguje s represorovým proteínom a uvoľnením miesta operátora súčasne premieňa represorový proteín na aktivačný proteín, ktorý uľahčuje pripojenie RNA polymerázy na promótor. Za týchto podmienok prebieha transkripcia. Akonáhle sú rezervy arabinózy v médiu vyčerpané, syntetizovaný rep-spring proteín sa opäť naviaže na operátora, čím sa vypne transkripcia.

Okrem indukcie existujú aj dva typy (negatívne a pozitívne) regulácie založené na princípe represie. Ak pri negatívnej indukcii efektor (induktor) bráni prichyteniu represorového proteínu na operátora, tak pri negatívnej represii naopak efektor dáva regulačnému proteínu schopnosť naviazať sa na operátor. Ak v prvom prípade spojenie efektora s proteínovým regulátorom umožnilo transkripciu, tak v druhom ju inhibuje. Príkladom negatívnej represie je dobre študovaný tryptofánový operón E. coli.

Obsahuje päť štruktúrnych génov, ktoré zabezpečujú syntézu aminokyseliny tryptofán, operátor a dva promótory. Regulačný proteín sa syntetizuje mimo tryptofánového operónu. Kým bunka stihne spotrebovať všetok syntetizovaný tryptofán, operón funguje, syntéza tryptofánu pokračuje. Ak sa v bunke objaví nadbytok tryptofánu, spojí sa s regulačným proteínom a zmení ho tak, že tento proteín získa afinitu k operátorovi. Zmenený regulačný proteín interaguje s operátorom a zasahuje do transkripcie štrukturálnych génov, v dôsledku čoho sa syntéza tryptofánu zastaví. Pri pozitívnej represii efektor zbavuje regulačný proteín schopnosti viazať sa na operátor, čím spôsobuje transkripciu štrukturálnych génov.

Opísané typy regulácie charakterizujú mechanizmy regulácie jednotlivých operónov, prakticky bez toho, aby sa dotýkali regulácie expresie genómu ako celku, pričom je celkom zrejmé, že regulácia rôznych operónov by mala byť koordinovaná. Táto koordinovaná povaha práce rôznych operónov a génov sa vo vírusoch a fágoch nazýva kaskádová regulácia. Podľa princípu kaskádovej regulácie dochádza najskôr k transkripcii „skoré“, potom „skoré“ a nakoniec „neskoré“ gény v závislosti od toho, ktoré proteíny sú potrebné v rôznych štádiách vírusovej (fágovej) infekcie.

Samozrejme, princíp kaskádovej regulácie vo fágoch je jeden z najjednoduchších. V zložitejších organizmoch je na realizáciu veľkého množstva funkcií, ktoré sa vyskytujú súčasne alebo s určitou sekvenciou, potrebná koordinovaná práca mnohých génov a operónov. To platí najmä pre eukaryoty, ktoré sa vyznačujú nielen zložitejšou organizáciou genómu, ale aj mnohými ďalšími znakmi mechanizmov regulácie génovej aktivity.

Podľa princípov regulácie možno eukaryotické gény podmienečne rozdeliť do troch skupín: 1) fungujúce vo všetkých bunkách tela; 2) fungujúce iba v tkanivách rovnakého typu; 3) zabezpečenie výkonu špecifických funkcií špecializovanými bunkami. Okrem toho je u eukaryotov známe súčasné skupinové vypnutie génovej aktivity, ktoré vykonávajú históny - hlavné proteíny, ktoré tvoria chromozómy. Ďalším významným rozdielom v transkripcii u eukaryotov je, že mnohé mRNA sú v bunke dlhodobo zadržané vo forme špeciálnych častíc - informozómov, zatiaľ čo mRNA prokaryotov takmer počas procesu transkripcie vstupujú do ribozómov, sú preložené a následne rýchlo zničené.

Zároveň existuje veľa údajov, ktoré naznačujú, že transkripcia v eukaryotoch sa vyskytuje z oblastí podobných operónom prokaryotov a pozostávajúcich z regulačných a štrukturálnych génov.

Charakteristickým rysom eukaryotických operónov je, že takmer vždy obsahujú iba štruktúrny gén a gény, ktoré riadia rôzne štádiá určitého reťazca metabolických transformácií, sú rozptýlené po chromozóme a dokonca aj v rôznych chromozómoch. Ďalšou charakteristickou črtou eukaryotických operónov je, že sú zložené z významných (exónov) a nevýznamných (intróny) oblastí, ktoré sa navzájom striedajú. Pri transkripcii sa čítajú exóny aj intróny a výsledný messenger RNA prekurzor (pro-mRNA) následne prechádza maturáciou (spracovaním), v dôsledku čoho dochádza k dozrievaniu introínov a tvorbe samotnej mRNA (splicing).

U eukaryotov sú známe iné typy regulácie génovej aktivity, ako napríklad vplyv polohy alebo kompenzácie dávky. V prvom prípade hovoríme o zmene aktivity génu v závislosti od konkrétneho prostredia: pohyb génu z jedného miesta na chromozóme na druhé môže viesť k zmene aktivity tohto génu aj blízkych. V druhom prípade sa fenotypovo neprejavuje nedostatok jednej dávky ktoréhokoľvek génu (týka sa to predovšetkým génov lokalizovaných v pohlavných chromozómoch heterogametického pohlavia, kedy je jeden z homológnych pohlavných chromozómov buď geneticky inertný, alebo úplne chýba). kompenzačné zvýšenie aktivity zvyšného génu ... Vo všeobecnosti nebola regulácia génovej aktivity v eukaryotoch dostatočne študovaná.

Aktivátor, promótor, operátor, terminátor

Jednotlivé gény môžu byť jednotkou transkripcie v prokaryotoch, ale častejšie sú organizované do štruktúr nazývaných operóny. Štruktúra operónu zahŕňa štruktúrne gény umiestnené jeden po druhom, ktorých produkty sú zvyčajne zahrnuté vo vode a rovnakej metabolickej dráhe. Operón má spravidla jeden súbor regulačných prvkov (regulačný gén, promótor, operátor), ktorý zabezpečuje koordináciu procesov génovej transkripcie a syntézu zodpovedajúcich proteínov.

Promótor je úsek DNA zodpovedný za väzbu na RNA polymerázu. V prípade prokaryotov sú najdôležitejšími sekvenciami pre reguláciu transkripcie sekvencie označené „-35" a „-10". Nukleotidy umiestnené pred iniciačným kodónom ("upstream") sú zapísané so znamienkom "-" a so znamienkom "+" - všetky nukleotidy, počnúc prvým v iniciačnom kodóne (počiatočný bod). Smer, ktorým sa proces transkripcie pohybuje, sa nazýva „downstream“.

Sekvencia označená ako „-35“ (TTGACA) je zodpovedná za rozpoznanie promótora RNA polymerázou a sekvencia „-10“ (alebo Pribnovov box) je miestom, z ktorého začína odvíjanie dvojzávitnice DNA. Tento box najčastejšie obsahuje základne TATAAT. Táto sekvencia báz sa najčastejšie nachádza v prokaryotických promótoroch, nazýva sa konsenzus. TATA box obsahuje adenín a tymín, medzi ktorými sú len dve vodíkové väzby, čo uľahčuje odvíjanie reťazcov DNA v tejto oblasti promótora. V prípade substitúcií bázových párov v uvedených promótorových sekvenciách je narušená účinnosť a správne určenie počiatočného bodu transkripcie, z ktorého enzým RNA polymeráza začína syntézu RNA. Spolu s promótorom majú prokaryoty aj ďalšie regulačné oblasti: aktivátor a operátor.

Operátor - časť DNA, s ktorou sa viaže represorový proteín, ktorý bráni RNA polymeráze spustiť transkripciu.

V laktózovom operóne sa ľavá strana promótora (aktivátora) viaže na proteín aktivujúci katabolizmus (BAC alebo CAP v anglickej terminológii katabolitový aktivátorový proteín) a pravá strana na RNA polymerázu. Proteín LHC, na rozdiel od represorového proteínu, hrá pozitívnu úlohu pri napomáhaní RNA polymeráze začať transkripciu.

Existujú rôzne možnosti interakcie regulačných miest s enzýmami a regulačnými proteínmi, a tie druhé s molekulami nazývanými induktory (efektory).

Genetická informácia zakódovaná v DNA pomocou 4 nukleotidov (štvorpísmenová abeceda) je v procese biosyntézy bielkovín preložená do sekvencie proteínových aminokyselín (dvadsaťpísmenová abeceda) pomocou tRNA adaptorových molekúl ("prekladačov"). Každá z 20 aminokyselín, ktoré tvoria proteíny, sa musí pripojiť k svojej vlastnej tRNA. Tieto reakcie prebiehajú v cytosóle a sú katalyzované dvadsiatimi APCázami (aminoacyl-tRNA syntetázy). Každý enzým má dvojitú afinitu: k „svojej“ aminokyseline a k zodpovedajúcej tRNA (jednej alebo viacerým). Na aktiváciu sa využíva energia ATP.

Proces pozostáva z dvoch stupňov v aktívnom centre enzýmu. V prvom štádiu sa ako výsledok interakcie aminokyseliny a ATP vytvorí aminoacyladenylát, v druhom sa aminoacylový zvyšok prenesie na zodpovedajúcu tRNA.
Priebeh reakcie: Aminokyselina (R) + ATP + enzým (ER E?) R (aminoacyladenylát) + FFN

ER (aminoacyladenylát) + tRNA R Aminoacyl-tRNA + AMP + Ep R
ARSazaR Celková rovnica:

Aminokyselina (R) + tRNA R + ATP aminoacyl-tRNA R + AMP + FFN

Éterická väzba medzi aminoacylom a tRNA je vysokoenergetická, energia sa využíva pri syntéze peptidovej väzby.

Takto sa v cytoplazme bunky tvoria všetky aktivované aminokyseliny potrebné na biosyntézu proteínov v kombinácii so zodpovedajúcimi adaptérmi? rôzne aminoacyl-tRNA (aa-tRNA).

Terminátor (DNA)<#"justify">Záver

Prokaryoty sú organizmy, ktorých bunky nemajú vytvorené jadro. Jeho funkcie vykonáva nukleoid (to znamená "ako jadro"); na rozdiel od jadra nukleoid nemá vlastný obal.

Telo prokaryotov sa spravidla skladá z jednej bunky. Pri neúplnej divergencii deliacich sa buniek sa však objavujú vláknité, koloniálne a polynukleoidné formy (bakteroidy). V prokaryotických bunkách nie sú žiadne trvalé dvojmembránové a jednomembránové organely: plastidy a mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát a ich deriváty. Ich funkcie vykonávajú mezozómy - záhyby plazmatickej membrány. Cytoplazma fotoautotrofných prokaryotov obsahuje rôzne membránové štruktúry, na ktorých prebiehajú fotosyntetické reakcie. Niekedy sa nazývajú bakteriálne chromatofóry.

Špecifická látka v bunkovej stene prokaryotov je mureín, no niektorým prokaryotom mureín chýba. Na vrchnej časti bunkovej steny je často slizničná kapsula. Priestor medzi membránou a bunkovou stenou slúži ako rezervoár protónov pre fotosyntézu a aeróbne dýchanie.

Veľkosti prokaryotických buniek sa pohybujú od 0,1 do 0,15 mikrónov (mykoplazma) do 30 mikrónov alebo viac. Väčšina baktérií má veľkosť 0,2-10 mikrónov. Pohyblivé baktérie majú bičíky, ktoré sú založené na bičíkových proteínoch.

Hlavným kvantitatívnym znakom eukaryotického genetického materiálu je prítomnosť nadbytočnej DNA. Táto skutočnosť sa ľahko odhalí pri analýze pomeru počtu génov k množstvu DNA v genóme baktérií a cicavcov. Ak je priemerná veľkosť bakteriálneho génu 1500 párov báz (bp) a dĺžka kruhovej molekuly DNA chromozómu E. coli a B. subtilis je väčšia ako 1 mm, potom v takomto chromozóme sumec môže obsahovať asi 3 000 génov.

Približne tento počet génov bol experimentálne stanovený v baktériách počtom typov mRNA.

Ak sa toto číslo vynásobí priemernou veľkosťou génu, potom sa ukáže, že asi 95 % bakteriálneho genómu tvoria kódujúce (génové) sekvencie. Zvyšných 5 % zrejme zaberajú regulačné prvky. Iný obraz je pozorovaný u eukaryotických organizmov. Napríklad u ľudí je približne 50 tisíc génov (myslí sa tým len celková dĺžka kódujúcich oblastí DNA - exónov). Zároveň je veľkosť ľudského genómu 3 × 10 9 (tri miliardy) bp To znamená, že kódujúca časť jeho genómu je len 15 ... 20 % z celkovej DNA.

Existuje značný počet druhov s genómom desaťkrát väčším ako ľudský genóm, napríklad niektoré ryby, chvostové obojživelníky, ľaliovité. Nadmerná DNA je bežná u všetkých eukaryotov. V tejto súvislosti je potrebné zdôrazniť, že nie jednoznačnosť pojmov genotyp a genóm. Genotyp by sa mal chápať ako súbor génov, ktoré majú fenotypový prejav, pričom pojem genóm označuje množstvo DNA v haploidnom súbore chromozómov. mosom tohto druhu.

Bibliografia:

1. Avramenko I.F. Mikrobiológia. M.: Kolos.- 1979.-176 s.

Mishustin E.N., Emtsev V.T. Mikrobiológia. M.: Agropromizdat - 1987.-336 s.

Bakulina N.A. Mikrobiológia. M.: Medicína.-1976.-325 s.

Singer M., Berg P. Gény a genómy v 2 zväzkoch zväzok 2. M.: Mir. - 1988.-391 s.

A.S. Konichev Molekulárna biológia. Moskva: Akadémia vydavateľského centra -2005-400 s.

Blokhina I.N. Genosystematika baktérií. Moskva: Nauka.- 1976.-151 s.

B.V. Grammov Štruktúra baktérií. L .: Vydavateľstvo ĽŠU - 1985.-190 s.

Pekhov A.P. Genetika baktérií. M.: Medicína.-1977.-407 s.

Stent G.S. Molekulárna genetika. M.: Mir.-1981.-646 s.

Rees E., Sternberg M. Úvod do molekulárnej biológie: Od buniek k atómom. M .: Mir - 2002.-142 s.

Sergeeva G.M., Pashkova E.I. Sprievodca pre samoštúdium pre študentov molekulárnej biológie. Petropavlovsk: NKSU im. M. Kozybaeva.-2008.-234 s.

Khesin R.B. Nestálosť genómu. M.: Nauka.-1984.-472 s.

Ed. J. Lengler, G. Drews, G. Schlegel. Moderná mikrobiológia. Prokaryoty. M .: Mir - 2005.-469 s.

Yu.P. Altukhova. Moderná prírodná veda. Encyklopédia. M .: Magister-Press.- 2000.-343 s.

Doučovanie

Potrebujete pomoc pri skúmaní témy?

Naši odborníci vám poradia alebo poskytnú doučovacie služby na témy, ktoré vás zaujímajú.
Pošlite žiadosť s uvedením témy práve teraz sa informovať o možnosti získania konzultácie.

ORGANIZÁCIA GENÓMU PROKARYOT

Genóm prokaryotov môže pozostávať z jednej alebo viacerých veľkých molekúl DNA nazývaných chromozómy a malých molekúl DNA nazývaných plazmidy. Takmer všetky gény potrebné pre životne dôležitú aktivitu baktérií sú zastúpené v chromozómoch. Plazmidy na druhej strane nesú gény, ktoré pre baktérie nie sú potrebné, bunka sa bez nich zaobíde, aj keď v niektorých podmienkach k tomu prispievajú

prežitie.

Chromozómy a plazmidy môžu byť kruhové aj lineárne dvojvláknové molekuly DNA. Bakteriálny genóm môže pozostávať z jedného alebo viacerých chromozómov a plazmidov. Chromozóm (chromozómy) v bakteriálnej bunke je (sú) reprezentovaný ako jedna kópia, t.j. baktérie sú haploidné. Na druhej strane plazmidy môžu byť v bunke prítomné ako jedna kópia alebo vo viacerých.

Chromozóm je zabalený do kompaktnej štruktúry - nukleoidu, ktorý má oválny alebo podobný tvar. Jeho štruktúra je podporovaná proteínmi podobnými histónom a molekulami RNA, ktoré sa viažu na DNA. S nukleoidom sú spojené aj molekuly RNA polymerázy a DNA topoizomerázy I. Pozdĺž periférie nukleoidu sa nachádzajú slučky chromozomálnej DNA, ktoré sa prepisujú v aktívnom stave. Keď je transkripcia potlačená, tieto slučky sú vtiahnuté dovnútra. Nukleoid nie je stabilná formácia a mení svoj tvar počas rôznych fáz rastu bakteriálnych buniek. Zmena v jej organizačnom priestore je spojená so zmenou transkripčnej aktivity určitých bakteriálnych génov.

Chromozóm môže zahŕňať genómy miernych fágov. Začlenenie ich genómov do bunky môže nastať po infekcii bakteriálnymi fágmi. V tomto prípade sú niektoré fágové genómy integrované do presne definovaných oblastí chromozómu, iné do oblastí rôznej lokalizácie.

Veľkosť genómov prokaryotov sa pohybuje od niekoľkých stoviek tisíc až po desiatky miliónov párov nukleotidov.

Genómy prokaryotov sa navzájom líšia obsahom GC-párov, ich podiel v zložení sa pohybuje od 23 do 72 %. Je zaujímavé, že v DNA baktérií žijúcich pri vysokých teplotách je obsah týchto nukleotidov zvýšený. Ich prevaha nad AT pármi spôsobuje vyššiu teplotu topenia DNA, čo je pre takéto baktérie životne dôležitý faktor. Potrebovať

Je potrebné poznamenať, že obsah polárnych aminokyselín je zvýšený aj v bielkovinách termofilných baktérií, čo ich robí odolnejšími voči denaturácii pri zvýšených teplotách. Proteíny Helicobacteria (žijúcich v kyslom prostredí) obsahujú viac aminokyselinových zvyškov arginínu a lyzínu. Zvyšky týchto aminokyselín sú schopné viazať vodíkové ióny, čím ovplyvňujú kyslosť prostredia a prispievajú k prežitiu baktérií v náročných podmienkach prostredia.

Počet génov v genóme sa posudzuje podľa prítomnosti otvorených čítacích rámcov (ORF) v ich zložení. ORF je polynukleotidová sekvencia potenciálne schopná kódovať polypeptid. Existencia ORF v určitých oblastiach DNA sa posudzuje na základe dekódovanej primárnej štruktúry DNA.

Hlavným kritériom pre príslušnosť oblasti polynukleotidového reťazca k ORF je absencia stop kodónov v dostatočne rozšírenej oblasti po štartovacom kodóne. Prítomnosť ORF zároveň nie je dostatočnou podmienkou na potvrdenie prítomnosti génu v danej oblasti DNA.

Gény, prokaryoty, majú spravidla operonickú organizáciu. Jeden operón zvyčajne obsahuje gény zodpovedné za realizáciu rovnakého metabolického procesu.

ORGANIZÁCIA GENÓMU EURARIOT

Správcom genetickej informácie u eukaryotov, podobne ako u prokaryotov, je dvojvláknová molekula DNA. Prevažná časť ich genetickej informácie je sústredená v bunkovom jadre ako súčasť chromozómov, oveľa menšia časť je zastúpená v DNA mitochondrií, chloroplastov a iných plastidov.

Genómová DNA eukaryotov je súborom DNA z haploidnej sady chromozómov a extrachromozomálnej DNA, ktorá sa nachádza v bunke zárodočnej línie. Celkový obsah DNA na haploidný súbor sa nazýva hodnota C. Vyjadruje sa v pg DNA, daltonoch alebo v pároch nukleotidov (1 pg = 6,1 10 11 Da = 0,965 10 bp). Hodnota C sa spravidla zvyšuje so zvyšujúcou sa organizáciou živých organizmov. U niektorých príbuzných druhov sa však hodnoty C môžu výrazne líšiť, zatiaľ čo morfológia a fyziológia týchto druhov sa navzájom nevýznamne líšia.

Aký význam má negénna DNA? Existuje niekoľko hypotéz na vysvetlenie jeho úlohy. Jedným z nich je predpoklad, že nekódujúce sekvencie eukaryotického genómu prispievajú k ochrane génov pred chemickými mutagénmi.

Jadrová DNA eukaryotov sa skladá z jedinečných a opakujúcich sa sekvencií. Repetitívnu DNA možno rozdeliť na dve frakcie: stredne sa opakujúcu a často sa opakujúcu DNA:

Často repetitívne zahŕňa DNA, zastúpenú v genóme viac ako 105 kópií. Satelitná DNA patrí do tejto frakcie.

Obsah satelitnej DNA v eukaryotickom genóme je od 5 do 50 % z celkovej DNA. Táto DNA sa výhodne nachádza v centromerických a telomerických oblastiach chromozómov, kde plní štrukturálne funkcie. Satelitná DNA pozostáva z tandemových opakovaní od 1 do 20 bp alebo viac. Vďaka jednoduchosti organizácie a početným kópiám má táto DNA schopnosť rýchlo sa renaturovať.

V genóme eukaryotov sa rozlišujú mikrosatelity, minisatelity a makrosatelity. Mikrosatelity sú tvorené opakujúcimi sa monomérnymi jednotkami (1 - 4 bp) a majú veľkosť až niekoľko stoviek párov báz. Sú rozptýlené po celom genóme a ich dĺžka a celkový počet kópií koreluje s veľkosťou genómu. Počet kópií mikrosatelitov v genóme môže dosiahnuť desiatky a stovky tisíc.

Makrosatelity majú v porovnaní s mikrosatelitmi a minisatelitmi veľkú veľkosť opakujúcej sa jednotky až 1000 a viac párov báz. Nachádzajú sa v genómoch vtákov, mačiek a ľudí.

Stredne sa opakujúce sekvencie v genóme sú zastúpené až 104 kópiami. Patria sem génové rodiny a MGE Génové rodiny tvoria gény, ktoré majú homológnu (alebo identickú) nukleotidovú sekvenciu a vykonávajú rovnaké alebo podobné funkcie. Môžu byť organizované v zhlukoch alebo rozptýlené po celom genóme. Existencia génov vo veľkom počte kópií poskytuje zvýšenú tvorbu ich expresných produktov. Rodiny sú tvorené génmi histónov, rRNA, tRNA atď. MGE eukaryotov tvoria v priemere asi 10 - 30 % genómu. Môžu byť koncentrované v určitých častiach chromozómu alebo rozptýlené po celom genóme.

Jedinečná DNA zahŕňa neopakujúce sa nukleotidové sekvencie. Jeho obsah v rôznych druhoch sa pohybuje od 15 do 98%. Podiel jedinečných sekvencií DNA v nižších eukaryotoch je oveľa vyšší ako u vyšších. Jedinečná DNA zahŕňa kódujúce aj nekódujúce sekvencie. Navyše väčšina unikátnej DNA nemá funkciu kódovania. Intróny patria k nekódujúcej unikátnej DNA, exóny k tej kódujúcej.

Štruktúra m-RNA

Messenger RNA (mRNA, mRNA; messenger RNA, mRNA): jednovláknová RNA obsahujúca informácie o aminokyselinových sekvenciách proteínu.

mRNA sa nachádza v jadre a cytoplazme. Jeho funkciou je preniesť informácie o štruktúre proteínu z DNA do miesta syntézy proteínov v ribozómoch. Podiel m-RNA predstavuje približne 0,5-1 % z celkového obsahu RNA v bunke.

Zrelá eukaryotická mRNA spolu s hlavnou nukleotidovou sekvenciou, ktorá kóduje informáciu o sekvencii aminokyselín v zodpovedajúcom proteíne, obsahuje množstvo nekódujúcich sekvencií potrebných na jej transláciu ribozómami. Niektoré z týchto sekvencií, ako je čiapočková skupina a 3'-koncový poly (A), nie sú kódované priamo génmi, ale sú pridané ko- a post-transkripčne, iné sú génového pôvodu. Tieto sekvencie často obsahujú regulačné signály, ktoré poskytujú určitú úroveň translácie mRNA ribozómami.

Oblasť mRNA nachádzajúca sa medzi čiapočkou a prvým iniciačným kodónom hlavného otvoreného čítacieho rámca (ORF), ktorá nesie informáciu o aminokyselinovej sekvencii v proteíne, sa nazýva 5"-terminálna nepreložená oblasť (5" UTR - 5 "nepreložená oblasť), alebo vedúca sekvencia Segment mRNA nachádzajúci sa medzi posledným stop kodónom hlavného ORF a začiatkom poly (A) - sekvencie sa nazýva 3 "nepreložená oblasť (upútavka) - (3" UTR Prvý názov nie je úplne výstižný: 5 „sekvencií UTR je spravidla schopných tvoriť zložité sekundárne štruktúry typu „stem-loop“ a obsahujú krátke ORF (upstream open reading frame), ktoré majú silný účinok o účinnosti translácie mRNA.

Okrem toho môžu 5" UTR zahŕňať regulačné sekvencie rozpoznávané trans-pôsobiacimi proteínovými faktormi. 5" UTR sekvencie zabezpečujú regulovanú transláciu mRNA (a koordinovanú expresiu zodpovedajúcich génov) v ontogenéze mnohobunkových organizmov.

3"UTR a poly (A) -sekvencia ovplyvňujú stav ribozómov po ukončení syntézy polypeptidových reťazcov. Okrem toho sa 3" -koncová poly (A) -sekvencia podieľa na iniciácii translácie.

31) SPRACOVANIE RNA

Spracovávajú sa rôzne typy RNA: mRNA, rRNA, tRNA atď. Posttranskripčné modifikácie RNA sú najvýraznejšie u eukaryotov. U prokaryotov je na vytvorenie zrelých molekúl rRNA a tRNA potrebné spracovanie RNA.

SPRACOVANIE IRNA

Počas dozrievania eukaryotickej mRNA sa na 5' konci vytvorí uzáver, intróny sa odstránia a na 3' konci sa syntetizuje polyA sekvencia. Na rozdiel od eukaryotov sa mRNA spracovávajú iba v ojedinelých prípadoch. Eukaryoty Dozrievanie mRNA prebieha v jadre eukaryotických buniek. Tento proces zvyčajne začína už pri prepise. Na 5'-koniec mRNA je pripojená čiapočka. Na 3'-konci mRNA sa na konci transkripcie vytvorí polyA sekvencia, signálom pre polyadenyláciu je sekvencia AAUAAA umiestnená 11-30 nukleotidov pred polyadenylačným miestom. eukaryotické mRNA sú tiež zostrihané. Zrelá mRNA je transportovaná z jadra do cytoplazmy bunky, kde slúži ako matrica pre syntézu proteínov Obrázok 5.18. Spracovanie eukaryotickej mRNA

Je potrebné poznamenať, že niektorým ekaryotickým mRNA chýbajú polyA sekvencie a niektorým prekurzorom mRNA chýbajú intróny. Prirodzene, nie sú spájané. Spracovanie mRNA prokaryotov mRNA prokaryotov spravidla nepodlieha spracovaniu, pretože ich transkripčné a translačné procesy sú spojené. Ešte pred dokončením transkripcie ribozómy interagujú s mRNA syntetizovanou RNA polymerázou, ktorá iniciuje syntézu polypeptidových reťazcov Niektoré polycistrónne mRNA prokaryotov môžu byť štiepené za vzniku individuálnej mRNA. V niektorých prípadoch je takéto rozdelenie pre úspešné vysielanie nevyhnutné, v iných nie je potrebné. V niektorých prípadoch 3'-koniec mRNA prokaryotov podlieha post-transkripčnej polyadenylácii, veľkosť poly A-sekvencií je 14-60 nukleotidov. Niektoré prokaryotické pre-mRNA obsahujú intróny.

SPRACOVANIE TRNA

Takmer všetky tRNA sú syntetizované ako prekurzory - dlhšie molekuly (pre-tRNA). V dôsledku spracovania sú nukleotidové sekvencie odstránené z okrajov pre-tRNA. Na 5'-konci fragment nukleotidového reťazca odštiepi enzým nazývaný RNAáza. RNáza je ribonukleoproteín, ktorého katalytickú funkciu plní zložka RNA, pričom proteín hrá štrukturálnu úlohu. V bakteriálnej RNáze existuje oblasť komplementárna k oblasti CCA tRNA. Eukaryotická RNáza P rozpoznáva ďalšie prvky prekurzora tRNA. Exonukleáza pôsobí z 3'-konca pre-tRNA, ktorá skracuje RNA postupne, pričom odstraňuje jeden nukleotid po druhom. V konečných štádiách maturácie tRNA polynukleotidyltransferáza pripojí sekvenciu CCA na 3'-koniec polynukleotidyltransferázy (obr. 5.20). Všeobecná schéma spracovania tRNA. U prokaryotov môže byť sekvencia CTSA kódovaná v génoch tRNA, potom sa polynukleotidyltransferáza nemusí podieľať na dozrievaní pre-tRNA načítaných z takýchto génov. V niektorých prípadoch však môže byť sekvencia CCA odstránená exonukleázou počas dozrievania tRNA, potom je na jej obnovenie nevyhnutná účasť nukleotidyltransferázy. U eukaryotov nie je sekvencia CCA kódovaná v génoch tRNA, pridáva sa post-transkripčne. U prokaryotov môže primárny transkript obsahovať niekoľko sekvencií tRNA, ich spracovanie zahŕňa excíziu

jednotlivé molekuly tRNA. Pri dozrievaní tRNA sa modifikujú aj dusíkaté bázy - v dôsledku čoho vznikajú minoritné bázy: pseudouridín, dihydrouridín, tymidín, 7-metylguanozín, inozín atď. tRNA tvorbou fosfodiesterovej väzby, v dôsledku , vzniká kovalentne uzavretá molekula tRNA (obr. 5.22). SPRACOVANIE RRNA Spracovanie je nevyhnutné na dozrievanie prokaryotických aj eukaryotických rRNA.

Stanovenie jemnej štruktúry génu, t.j. jej organizácie, ako aj zásad práce, t.j. regulácia aktivity (on-off) boli pôvodne zavedené pre prokaryotické bunky.

Tieto práce boli vykonané Francois Jacob a Jacques Monod(1961; Nobelova cena 1965). Podľa Jacobovho – Monodovho konceptu je operón jednotkou regulácie génovej aktivity u prokaryotov. Operon- funkčná jednotka genómu u prokaryotov, ktorá zahŕňa cistróny (transkripčné jednotky) kódujúce spoločne alebo sekvenčne pracujúce proteíny a spojené pod jedným (alebo viacerými) promótormi, t.j. veľkosť operónu presahuje veľkosť kódujúcich sekvencií DNA. Táto funkčná organizácia umožňuje efektívnejšie regulovať expresiu (prejav) týchto génov.

Vo všeobecnosti štruktúra operónu zahŕňa: promótor, operátor, štruktúrne gény, terminátor (obr. 1).

P - Promótor je regulačná oblasť DNA, ktorá slúži na pripojenie RNA polymerázy k molekule DNA.

C-operátor je regulačná oblasť DNA, ktorá je schopná pripojiť represorový proteín kódovaný zodpovedajúcim génom. Ak je k operátorovi pripojený represor, potom sa RNA polymeráza nemôže pohybovať pozdĺž molekuly DNA a syntetizovať mRNA.

T-Terminátor je regulačná oblasť DNA, ktorá sa používa na odpojenie RNA polymerázy po ukončení syntézy mRNA.

Transkripcia skupiny štrukturálnych génov je regulovaná dvoma prvkami – regulačným genómom a operátorom. Operátor je často lokalizovaný medzi promótorom a štrukturálnymi génmi; génový regulátor môže byť lokalizovaný blízko operónu alebo v určitej vzdialenosti od neho.

Ak je produktom regulačného génu represorový proteín, jeho pripojenie k operátoru blokuje transkripciu štrukturálnych génov, čím bráni pripojeniu RNA polymerázy na špecifickú oblasť - promótor potrebný na iniciáciu transkripcie. Naopak, ak aktívny apoinduktor slúži ako regulačný proteín, jeho pripojenie k operátoru vytvára podmienky pre iniciáciu transkripcie. Nízkomolekulárne látky sa podieľajú aj na regulácii práce operónov – efektorov, pôsobiacich ako induktory alebo korepresory štruktúrnych génov, ktoré sú súčasťou operónov.

Operóny podľa počtu cistrónov sa delia na mono-, oligo- a polycistronické, ktoré obsahujú iba jeden, niekoľko alebo veľa cistrónov (génov).

Zjednotenie funkčne blízkych génov do operónov sa zjavne postupne vyvinulo v evolúcii baktérií z toho dôvodu, že prenos genetickej informácie v nich sa zvyčajne uskutočňuje v malých častiach (napríklad počas transdukcie alebo pomocou plazmidov). Dôležité je prepojenie funkčne príbuzných génov, ktoré baktériám umožňuje získať potrebnú funkciu v jednom kroku.

Gene- štrukturálna a funkčná jednotka dedičnosti, ktorá riadi vývoj konkrétneho znaku alebo vlastnosti. Súbor génov odovzdávajú rodičia svojim potomkom pri rozmnožovaní. Prenos génov z rodiča na potomka však nie je jediným spôsobom prenosu génov. V roku 1959 bol opísaný prípad horizontálneho prenosu génov. Na rozdiel od vertikálneho prenosu, pri horizontálnom prenose organizmus prenáša gény na organizmus, ktorý nie je jeho potomkom. Tento spôsob prenosu je rozšírený medzi jednobunkovými organizmami a v menšej miere aj medzi mnohobunkovými organizmami.

Eukaryotické gény

Najprv si všimnime, že v eukaryotických organizmoch je DNA prítomná nielen v jadrách, ale aj v organelách – mitochondriách, ktoré majú všetky eukaryoty a chloroplastoch, ktoré sa nachádzajú v zelených rastlinách. Mnohé indície naznačujú, že organely pochádzajú z prokaryotov: mitochondrie z a-fialových baktérií a chloroplasty zo siníc. Sú príbuzné prokaryotom mnohými znakmi aparátu syntetizujúceho proteíny. Berúc do úvahy zameranie záujmov genetického inžinierstva, obmedzíme sa tu na uvažovanie len o jadrových génoch.

Štruktúra. Eukaryotické gény sa výrazne líšia štruktúrou a transkripciou od prokaryotických génov. Ich charakteristickou črtou je diskontinuita, to znamená striedanie nukleotidových sekvencií v nich, ktoré sú v mRNA prezentované (exóny) alebo nie (intróny). Je teda jasné, že intróny sú nekódujúce sekvencie. Môžu sa nachádzať nielen v oblasti ohraničenej iniciačnými a terminačnými kodónmi, ale aj mimo nich, na začiatku alebo na konci génu. Ich dĺžka môže presiahnuť 10 kbp. V nižších eukaryotoch tvoria diskontinuálne gény menšinu všetkých génov (5 % v kvasinkách) a vo vyšších eukaryotoch väčšinu (94 % u cicavcov). Všimnite si, že génová mozaika sa našla aj v prokaryotických bunkách.

Evolučne príbuzné gény s vysokým stupňom fyzickej homológie tvoria rodiny. Proteíny kódované takýmito génmi, pôsobiace súčasne alebo v rôznych štádiách vývoja organizmu, vykonávajú rovnaké funkcie. Napríklad zloženie proteínov v α- a β-reťazcoch krvného hemoglobínu cicavcov je u embrya, plodu a dospelého človeka odlišné, čo je spôsobené rozdielnou expresiou génov patriacich do α- a β-rodín globínových génov. Spolu s funkčnými génmi sa v rodinách našli aj nefunkčné gény. Takéto gény sa nazývajú pseudogény. Nie sú exprimované z rôznych dôvodov (zmena čítacieho rámca v dôsledku delécie alebo inzercie, absencia intrónu atď.).

Charakteristickým znakom génov patriacich do rodiny je podobný vzor lokalizácie väčšiny intrónov. Táto podobnosť nie je obmedzená na konkrétny genóm. V prípade globínových génov sa teda gény u všetkých skúmaných zvierat, u cicavcov, vtákov a žiab, ukázali byť v usporiadaní intrónov podobné. Avšak dĺžky a nukleotidové sekvencie intrónov sa môžu výrazne líšiť, čím sa mení veľkosť samotných génov.

Prepis. Eukaryotické gény nie sú zoskupené do operónov, takže každý z nich má svoj vlastný promótor a terminátor transkripcie. Transkripcia sa uskutočňuje tromi rôznymi RNA polymerázami: I, II a III, ktoré syntetizujú rRNA, mRNA a tRNA. Rovnako ako v prípade prokaryotov budeme uvažovať iba o mechanizme expresie génov kódujúcich proteíny. Preto sa ďalej pod eukaryotickou RNA polymerázou rozumie RNA polymeráza II. Pozostáva z viac ako tuctu podjednotiek, ale stále sa nemôže viazať priamo na promótor. Jeho pristátie na promótore je uľahčené proteínovými transkripčnými faktormi. Mnohé z nich rozpoznávajú špecifické sekvencie (boxy) v promótore.

Dĺžka typického vyššieho eukaryotického promótora je približne 100 bp. Mal by rozlišovať dve časti – základnú a doplnkovú. Gény, ktoré majú iba základnú časť promótora, fungujú v akýchkoľvek bunkách tela a nepodliehajú tkanivovo špecifickej kontrole. Táto časť slúži na iniciáciu transkripcie a presnú orientáciu RNA polymerázy II vzhľadom na prvý transkribovaný nukleotid. Dodatočná časť spolu so zosilňovačmi slúži na zvýšenie účinnosti transkripcie a reguláciu génovej aktivity.

Prokaryoty(lat. Procaryota, zo starej gréčtiny. προ „pred“ a κάρυον „jadro“), príp prenukleárny- jednobunkové živé organizmy, ktoré nemajú (na rozdiel od eukaryotov) vytvorené bunkové jadro a iné vnútorné membránové organely (s výnimkou plochých cisterien u fotosyntetických druhov, napr. u siníc). Jediná veľká kruhová (u niektorých druhov lineárna) dvojvláknová molekula DNA, ktorá obsahuje väčšinu genetického materiálu bunky (tzv. nukleoid), netvorí komplex s histónovými proteínmi (tzv. chromatín) . Prokaryoty zahŕňajú baktérie, vrátane cyanobaktérií (modrozelené riasy) a archaea. Potomkami prokaryotických buniek sú organely eukaryotických buniek – mitochondrie a plastidy.

Prokaryoty sa delia na dva taxóny v poradí domény (superkráľovstvo): Baktérie ( Baktérie) a Archaea ( Archaea).

Prokaryotické bunky sa vyznačujú absenciou jadrového obalu, DNA je zabalená bez účasti histónov. Typ výživy je osmotrofický.

Genetický materiál prokaryotov predstavuje jedna molekula DNA uzavretá v kruhu, existuje len jeden replikón. Bunkám chýbajú organely s membránovou štruktúrou. Genóm môže obsahovať mobilné genetické prvky a niektoré prokaryoty (napríklad Wolbachia) ich obsahujú nezvyčajne veľa. Štúdium baktérií viedlo k objavu horizontálneho prenosu génov, ktorý bol opísaný v Japonsku v roku 1959. Tento proces je rozšírený medzi prokaryotmi, ako aj u niektorých eukaryotov. Objav horizontálneho prenosu génov u prokaryotov viedol k inému pohľadu na evolúciu života. Predtým bola evolučná teória založená na skutočnosti, že druhy si nemôžu vymieňať dedičné informácie. Prokaryoty si môžu vymieňať gény medzi sebou priamo (konjugácia, transformácia), ako aj pomocou vírusov-bakteriofágov (transdukcia).

Jedinečné gény- sú to gény, ktoré sa v bunke vyskytujú dva alebo viackrát (až 10-20). Väčšina výskumníkov sa domnieva, že v mnohobunkových organizmoch je celkový počet génov v priemere stotisíc a drvivá väčšina z nich sú jedinečné gény. Charakteristickým znakom eukaryotických génov je mozaiková štruktúra exón-intrón. Intróny, ktoré nenesú genetickú informáciu, sú vyrezané (zostrihané). Počet a veľkosť intrónov sa líši od druhu k druhu. Ich prítomnosť v géne vedie k výraznému zvýšeniu veľkosti génu. Intróny stabilizujú exóny, predpokladá sa však, že áno intron– ide o takzvanú „sebeckú“ DNA, ktorá telu nedáva žiadne evolučné výhody. Exóny riadia syntézu proteínov: 1 exón - 1 doména.

Medzi repetitívne gény patria predovšetkým gény veľkej a malej rRNA a histónov. Ich počet sa značne líši a môže dosiahnuť viac ako 2000. Gény veľkých rRNA sú organizované do blokov, v ktorých sú gény 18S rRNA, 58S rRNA a 28S rRNA sekvenčné. Medzi nimi sú medzery, ktoré sa v rôznych organizmoch líšia dĺžkou. Intergénne oblasti majú rôzne typy opakovaní, s nezvyčajnou sekvenciou, bohatou na HZ páry. Gény jadrovej RNA s nízkou molekulovou hmotnosťou netvoria bloky. Histónové gény sa v genóme opakujú desaťkrát (u cicavcov), stovky (u Drosophila) a tisíce (u axolotl) krát. Navyše nie je možné pochopiť súvislosť medzi týmto ukazovateľom a postavením organizmu na evolučnom rebríčku.

Preusporiadanie alebo rekombinácia génov sú gény, ktoré kódujú ľahké a ťažké reťazce proteínov. imunoglobulíny ktoré fungujú ako protilátky. Gény pre tieto proteíny sa skladajú z dvoch typov génov pre ľahké a piatich typov pre ťažké reťazce. Ľahké reťazce sú kódované tromi samostatnými genetickými prvkami, ťažké reťazce štyrmi. Preskupenia genómu vedú k spojeniu rôznych oblastí a v dôsledku toho k tvorbe imunoglobulínov rôznych tried.

Skákacie gény alebo transpozóny, mobilné genetické prvky... Ako normálna zložka genómu tvoria jeho významnú časť (u Drosophila 7 % genómu), môžu byť reprezentované mnohými kópiami roztrúsenými po celom genóme a majú rôznu lokalizáciu. Štruktúra rôznych tried migračných prvkov (ME) sa líši, ale všetky sú charakterizované prítomnosťou reverzných opakovaní na koncoch. V strede môžu mať ME jedinečné sekvencie. ME vykazujú vysokú lokusovú špecifickosť, pretože môžu byť začlenené do špecifickej sekvencie na chromozóme.

Dna sa opakuje

Opakujúca sa DNA je atribútom každého genetického systému. Dokonca aj v najskorších štádiách evolúcie, keď sa objavil takmer kompletný repertoár polypeptidov - nositeľov základných molekulárnych funkcií (niečo ako slovník genetického jazyka), mali už zrejme svoju vlastnú vnútornú periodicitu ( Ohno, 1981 , 1984 ; Choď, 1983). Prítomnosť oligomérnych opakovaní v moderných génoch a proteínoch sa vysvetľuje skutočnosťou, že vo všeobecnosti v akomkoľvek informačnom systéme je kopírovanie textu účinným prostriedkom na zvýšenie odolnosť voči šumu počas prenosu správy... Pokiaľ ide o genetický jazyk, existencia intragénnych opakovaní dramaticky znižuje negatívne účinky chýb, ako sú posuny translačného rámca, rôzne delécie a inzercie ( Ohno, 1984). V skutočnosti proteíny, ktorých gény obsahujú vnútorné oligomérne opakovania, musia mať tiež periodickú primárnu štruktúru. V tomto prípade bude dĺžka polypeptidového opakovania závisieť od toho, či dĺžka zodpovedajúceho templátového opakovania je násobkom troch. Napríklad opakovania šiestich nukleotidov budú generovať výlučne dipeptidovú periodicitu, zatiaľ čo pentamérne opakovania v géne by mali zodpovedať periodicite rovnakého rozmeru v polypeptidovom produkte ( obrázok 1).

Ale možno najzaujímavejšou vlastnosťou takýchto opakovaní je, že zabezpečujú zhodu oboch periodicity, nukleotidu a aminokyseliny, vo všetkých troch možných rámcoch translácie ( Ohno, 1984 , 1987 ). Preto sa S. Ono domnieva, že ešte na samom začiatku, na úsvite života, keď biochemický prekladací stroj pracoval s častými poruchami a čítací rámec bol len ťažko jednoznačne fixovaný, mali mať práve takéto opakovania (nie násobok troch). mali hmatateľnú selektívnu výhodu. Veľké množstvo oligonukleotidových motívov práve takejto konfigurácie je prítomné v takmer všetkých analyzovaných génoch rôznych typov pro- a eukaryotov. V zásade nemožno vylúčiť, že z tých dávnych čias sa zachovali aspoň niektoré, t.j. sú akýmsi molekulárnym reliktom.

Ďalej, po spontánnom vzniku aj relatívne krátke opakované úseky výrazne zvyšujú pravdepodobnosť duplikácie (a automaticky - znásobenia) ich samotných aj tých segmentov genómu, ktoré sú nimi ohraničené ( Smith, 1976). Špecifické mechanizmy intragenomickej reprodukcie repetícií môžu byť rôzne (nerovnomerné prekríženie, posuvná hyperreplikácia, reverzná transkripcia atď.), ale samotná reprodukcia je typickým autokatalytickým procesom ( Orgel, Crick, 1980 ; Doolitle a kol., 1984; atď.). A hoci v mnohých prípadoch je počet opakovaní (napríklad MGE) regulovaný podľa princípu spätnej väzby ( O "zajac, Rubin, 1983 ; Simons, Kleckner, 1983 ; Snyder, Doolitle, 1988), aj keď pre akýkoľvek typ organizmov v norme zjavne existujú nešpecifické selektívne bariéry na ceste „sebeckého“ šírenia opakovaní v celom genóme ( Berdnikov, Rodin, Zharkikh, 1982 ; Rodin a kol., 1985 ; Rodin, 1985a, nar), väčšina moderných organizmov, najmä eukaryotických, sa vyznačuje extrémne vysokou koncentráciou opakovaní na takmer všetkých úrovniach molekulárnej genetickej organizácie.

Štrukturálne gény sú jedinečné zložky genómu, ktoré predstavujú jedinú sekvenciu, ktorá kóduje špecifický proteín alebo niektoré typy PH …… ..

Genóm eukaryotov je zložitejší ako prokaryoty a zahŕňa nukleotidové sekvencie chromozómov, DNA mitochondrií a plastidov (1-10 % z celkového genómu, u kvasiniek až 20 %), DNA plazmidov u kvasiniek, DNA z latentné a defektné vírusy.

Eukaryotické jadro dobre exprimovaný, okolo chromozómov je jadrová membrána. Existuje veľa chromozómov, sú párované, pozostávajú z homológnych chromatidov, z ktorých každý je dvojvláknová molekula DNA ( súbor chromozómov diploidný ). Chromozóm obsahuje 50 % DNA a 50 % prítomných proteínov esenciálne histónové proteíny ktoré sú súčasťou nukleozómov a kyslé bielkoviny , ktoré vypĺňajú dutinu nukleozómu, uvoľňujú ju a zohrávajú dôležitú úlohu pri rozklade nukleozómov pred začiatkom transkripcie a replikácie.

V uvoľnenom stave môžu eukaryotické chromozómy dosiahnuť niekoľko centimetrov (u ľudí až 5 cm na dĺžku). Existuje niekoľko štádií kondenzácie chromozómov, v dôsledku ktorých sa chromozóm zhutňuje, obaľuje okolo nukleozómov a vytvára zložitejšie zložené štruktúry.

Etapy zhutňovania (kondenzácie) chromozómov... Akty kondenzácie a dekondenzácie chromozómov sa navzájom nahrádzajú v bunkovom cykle: v interfáze DNA vyzerá ako predĺžené zamotané vlákna a nazýva sa - chromatín ... V tomto stave je DNA čiastočne uvoľnená, čo uľahčuje prechod procesu transkripcie a replikácie. Pre rozpor ( segregácia ) chromozómov pri mitóze je veľmi dôležité, aby chromozómy boli nadzávitnicové – kondenzované. Z tohto dôvodu sa na začiatku profázy mitózy DNA začína zhutňovať pozitívnym a negatívnym supercoilingom, ako aj obalením okolo nukleozómov. Nukleozomálne vlákno DNA sa podobá guľôčke, v ktorej je vlákno (superzávitnicová molekula DNA) navinuté okolo guľôčok (nukleozómov).

Ryža. 3.1. Etapy zhutňovania chromatínu

Nukleozóm- oktomér 8 podjednotiek histónových proteínov, vrátane 2 histónových molekúl H2A, H2B, H3, H4. Priemer nukleozómu - 11 nm, výška - 5,7 nm. Pozdĺž okrajov nukleozómov sú voľné oblasti DNA s 20-90 pármi báz - linkery . Histón H1 nie je súčasťou nukleozómu, ale fixuje spojovacie slučky a drží DNA na nukleozóme. Takéto nukleozomálna štruktúra chromozómov charakteristické len pre lineárne eukaryotické chromozómy.

V dôsledku špirály a krútenia na nukleozómoch sa chromozómy skracujú a premieňajú na metafázové chromozómy (metafázové štádium), pričom sa skracujú 10 000-krát na dĺžku a asi 700-krát na priemer. To prispieva k normálnej separácii (segregácii) chromozómov v anafáze mitózy. Röntgenová štrukturálna analýza odhalila nasledujúce štádiá zhutňovania DNA.

1. etapa - dvojvláknová špirála DNA (priemer 2 nm), zvyčajne v pravotočivej B-forme.

2. etapa- nukleozómový závit (priemer - 11nm). DNA je navinutá na časticiach nukleozómov a tvorí na nich 1,75 závitu (146 párov báz).

3. etapa- vznik chromatínovej fibrily (priemer 30 nm). Nukleozómy sa k sebe približujú, vzniká cik-cak „stužka“, do ktorej sa skrúca solenoid - špirála s dutinou vo vnútri.

4. etapa- tvorba slučiek (priemer 300 nm) vzniká tvorbou slučiek zo závitu elektromagnetu.

5. etapa- tvorba metafázových chromozómov, ktoré sa nazývajú "kefy lampy" (priemer 1400 nm).

Redundancia eukaryotických genómov. Len nepodstatnú časť DNA u eukaryotov predstavujú štrukturálne a regulačné gény, zvyšok genómu tvorí „sebecká“ (satelitná) DNA, ktorá sa do eukaryotického genómu zrejme dostala integráciou vírusov a iných mobilných genetických prvkov. Ľudský genóm obsahuje 3,5 x 109 párov báz. Cicavčie genómy sa líšia, ale majú blízke hodnoty molekulovej hmotnosti chromozómov, dosahujúce stovky miliárd Da. V súlade s veľkosťou genómu by mal mať človek 150 000 a viac génov, no v roku 2003 americkí vedci deklarovali existenciu 30 000 génov, v posledných rokoch sa predpokladá 75 000 génov, zvyšok genómovej DNA je zjavne „genetický odpad“ . Významnú časť genómu predstavujú nekódujúce sekvencie. U ľudí tvoria nekódujúce sekvencie 80-85% (podľa iných zdrojov - 92%) a u rastlín - až 90% a viac, t.j. charakteristika redundancia genómu .

V eukaryotickom genóme sa rozlišujú nasledujúce Typy sekvencií DNA :

1)opakujúce sa sekvencie, z ktorých je viac ako 10 5 opakovaní na genóm. Najčastejšie ide o bloky 5-8 nukleotidov, ktoré sa opakujú v tandeme a tvoria fragmenty 150-500 párov báz, napríklad - (AATAT) 30-100. Ich funkcia nie je úplne známa, ale predpokladá sa, že môžu zohrávať úlohu pri regulácii práce génov – nachádzajú sa v oblasti centromér, telomér, intrónov, transpozónov. Sú to sekvencie: Alu, B1, B2, L1. Reštrikčné miesta v palindrómoch sú medzi opakujúcimi sa sekvenciami veľmi časté (pozri nižšie – téma „Oprava“). Reštrikčnými miestami môžu byť tie horúce miesta, kde sú vložené plazmidy, transpozóny, vírusová DNA, transgény.

2) stredne opakujúce sa sekvencie- vyskytujú sa v genóme od 10 do 10 5. Patria sem sekvencie kódujúce históny, ribozomálne proteíny, r-RNA a t-RNA, IS elementy a inzerčné sekvencie.

3) multigénne rodiny - sú to skupiny génov podobných štruktúrou a funkciou, ktoré sa „zapínajú“ v rôznych štádiách ontogenézy. Napríklad b-reťazec hemoglobínu je kódovaný 7 génmi, z ktorých 2 sú defektné (pseudogény), zvyšných 5 je zaradených postupne v rôznych štádiách vývoja: v ranej embryogenéze, vo fetálnom období (8-9 týždňov) , v detstve, dospievaní a dospelosti.

4) jedinečné gény - špecifické gény, ktoré kódujú syntézu štrukturálnych a enzymatických proteínov.

Štruktúra eukaryotického génu. Eukaryotické gény majú regulačné prvky podobné prokaryotom - promótor a terminátor zóny, medzi ktorými sa nachádza sekvencia DNA, ktorá priamo kóduje proteín. Regulačné prvky génov sú veľmi dôležité, pretože práve vďaka nim sa gény „zapnú“ len vtedy, keď je potreba zodpovedajúcich proteínových produktov. Promótorová zóna poskytuje začiatok transkripcie a translácie a terminátorová zóna poskytuje koniec týchto procesov.

V promótoroch je možné rozlíšiť nasledujúce konzervatívne sekvencie: GC motív, CAAT, TATA, AGGAG, ATG iniciačný kodón (AUG na RNA). Nasleduje štrukturálna časť génu, ktorá pozostáva z exónov a intrónov. Po štruktúrnej časti génu nasleduje terminátorová zóna, ktorú predstavuje terminačný kodón TTA (TAG alebo TGA) a terminátor. Na obr. 3.1. sú prezentované hlavné oblasti eukaryotického génu.

Ryža. 3.2. Jemná štruktúra eukaryotického génu

Označenia a vysvetlivky k obr. 3.2.

Funkcie hlavných regulačných prvkov génu

· HZ motív – jeden z najbežnejších regulačných prvkov génu. Zastúpený palindrómom ГГЦГЦЦ / ЦЦЦГЦЦ , sa nachádza v génoch bežných funkcií, teda tých, ktoré sú exprimované vo všetkých bunkách tela a zohrávajú dôležitú úlohu pri podpore ich života. Táto stránka je zjavne operátorom prepisu. Pripojenie regulačného proteínu SP1 k motívu GC zvyšuje transkripciu faktorom 10–20.

· CAAT - oblasť génového promótora, ktorú s najväčšou pravdepodobnosťou rozpozná RNA polymeráza pred začiatkom transkripcie. Je zrejmé, že toto miesto plní rovnakú funkciu ako u prokaryotov. TTGATSA (Gilbertov blok). CCAAT sa vyskytuje v tkanivovo špecifických génoch, to znamená tých, ktoré sú exprimované len v niektorých tkanivách a orgánoch. Gén inzulínu je teda zapnutý hlavne iba v bunkách Langerhansových ostrovčekov pankreasu, gén alfa-fetoproteínu - u dospelého človeka iba v pečeňových bunkách.

· Hogness blok - TATA (TATAAAA alebo TATAATA) , je podobný Pribnov blok (TATAAT) u prokaryotov slúži na pripojenie RNA polymerázy k DNA v promótorovej zóne, jej poloha v géne voči nulovému bodu začiatku transkripcie je (-30).

· väzbové miesto ribozómu obsahuje redukovanú Shine-Dalgarnovu sekvenciu AGGAGG (pozri funkcie Shine-Dalgarnovej sekvencie AGGAGG u prokaryotov, téma "Genómy prokaryotov").

· iniciačný kodón reprezentovaný trojicou ATG (AUG - na RNA), sa prepisuje ako súčasť messenger RNA, translácia začína ňou. Keď sa na ribozóme syntetizuje polypeptid, tento kodón zodpovedá aminokyseline metionínu. Syntéza väčšiny bielkovín začína metionínom.

· štrukturálna časť génu - je to sekvencia DNA, ktorá priamo kóduje samotný proteín. V eukaryotoch na rozdiel od prokaryotov nie je integrálna, ale pozostáva z exónov (kódujúcich oblastí) a intrónov (interkalovaných nekódujúcich oblastí).

· terminačný kodón - miesto, ktoré sa prepisuje do m-RNA a zabezpečuje koniec translácie na ribozómoch. Na DNA je reprezentovaný nezmyselnými kodónmi - tripletmi TAA, TAG, TGA, na RNA zodpovedajú UAA, UAH a UGA. Žiadna z aminokyselín nezodpovedá týmto tripletom, preto je na nich v ribozóme prerušená syntéza polypeptidov.

· stránka terminátora je evidentne reprezentovaný v každom géne špecifickou nukleotidovou sekvenciou.

V eukaryotickom genóme boli tiež nájdené špecifické regulačné sekvencie, ktoré môžu pôsobiť ako zlepšováky - zosilňovače transkripcie, ako aj sekvencie, ktoré pôsobia ako tlmiče hluku - tlmiče prepisu. Môžu byť umiestnené v značnej vzdialenosti od génu, ktorý regulujú, navyše rovnaké sekvencie v jednej bunke môžu byť zosilňovačmi av inej bunke tlmičmi. S ich pomocou je regulovaná génová expresia.

Boli tiež nájdené regulačné proteíny, ktoré sa môžu viazať na promótorovú oblasť génu a poskytovať buď aktiváciu alebo supresiu transkripcie. Regulačný proteín SP1, ktorý sa viaže na motív GC, teda môže zvýšiť transkripciu 10 až 20-krát.

Zariadenie eukaryotických génov. Gény eukaryotických organizmov majú tieto vlastnosti:

Singles, t.j. na rozdiel od prokaryotov nie sú zostavené do operónov;

Niekedy oligomérne (reprezentované klastrovými génmi);

Prerušované, t.j. rozdelené na intróny a exóny;

Prekrývanie, t.j. niekoľko čítacích rámcov môže fungovať v rámci jednej génovej oblasti DNA.

Genetická analýza eukaryotov, najmä ich najjednoduchších zástupcov – kvasiniek a neurospór, ukázala, že gény, ktoré riadia rôzne štádiá tej istej metabolickej dráhy, sú zvyčajne náhodne rozptýlené po celom genóme a zvyčajne nevytvárajú zhluky ako bakteriálne operóny. Našlo sa však niekoľko výnimiek, a to: kompaktná oblasť DNA v hubách riadi 3 reakcie v biosyntéze histidínu. Podobná situácia bola zistená pri štúdiu genetickej kontroly biosyntézy aromatických aminokyselín (tryptofán, tyrozín, fenylalanín), ako aj mastných kyselín. Vedci nadobudli dojem, že majú dočinenia so štruktúrou podobnou operónu, ktorá kóduje multienzýmový komplex. V skutočnosti sa ukázalo (pomocou mutačnej analýzy), že v hubách všetkých 5 štádií biosyntézy aromatických aminokyselín riadi 1 gén, ktorého produktom je dlhý polypeptidový reťazec s hmotnosťou 150 000 D. Toto nie je operón, ale klastrový gén ... Takéto klastrové gény sú u eukaryotov celkom bežné. Ako príklady možno uviesť nasledujúce klastrové gény:

· jeho 4 - génový klaster pre biosyntézu histidínu v kvasinkách sacharomycetes, kóduje jeden polypeptid s tromi enzymatickými aktivitami;

· aróma 1 - génový zhluk pre biosyntézu aromatických aminokyselín v neurospóre, kóduje jeden polypeptid s piatimi enzymatickými aktivitami;

· fas 1 - prvý génový zhluk pre biosyntézu mastných kyselín v kvasinkách sacharomycét, kóduje polypeptid s tromi enzymatickými aktivitami

· fas 2 - druhý génový zhluk pre biosyntézu mastných kyselín v kvasinkách sacharomycét, kóduje jeden polypeptid s piatimi enzymatickými aktivitami.

Príkladom je existencia klastrových génov molekulárna oligomerizácia ... Je zrejmé, že čítanie informácií z génového klastra o niekoľkých enzýmoch metabolickej dráhy je pre bunku „ekonomicky“ výhodnejšie, ako v prípade operónov prokaryotov. Na rozdiel od bakteriálneho operónu sa v génových zhlukoch v dôsledku transkripcie a následnej translácie na ribozómoch syntetizuje jedna dlhá polypeptidová molekula, v ktorej jednotlivé domény po priestorovom zložení do terciárnej štruktúry začnú vykonávať funkcie jednotlivých enzýmov. V prokaryotických operónoch sa jednotlivé gény operónu zvyčajne prekladajú na nezávislé proteínové produkty.

Väčšina génov eukaryotov je jediná, to znamená, že počas vývoja eukaryotov, autonomizácia génov. Zrejme to vytvára priaznivé podmienky pre samostatnú, a teda jemnejšiu reguláciu funkcií jednotlivých génov. Pripomeňme, že u prokaryotov podliehajú regulácii často všetky gény operónu, s výnimkou autogénnej kontroly, keď sa regulačný gén nachádza medzi štrukturálnymi génmi v rámci operónu a umožňuje reguláciu operónu samostatnými blokmi.

Eukaryotické gény sú prerušované, konkrétne pozostávajú z kódovacích sekcií - exóny , a nie kódovanie - intróny. Táto génová štruktúra je tzv intrón-exón alebo mozaiková štruktúra. Exóny majú dĺžku až 1 000 párov báz a intróny majú zvyčajne 5 000 až 20 000 párov báz. Štrukturálna časť génu môže zahŕňať 2-3 (niekedy aj viac) exóny oddelené dlhými intrónmi. A hoci je intrónov zvyčajne málo, ich počet v rôznych druhoch a v rôznych génoch sa môže pohybovať od 0 (v histónových génoch) po 51 (v štruktúrnom géne kolagénu). Vždy je viac exónov ako intrónov, ale intróny majú 5-7 krát viac nukleotidových párov ako exóny, pretože intróny sú dlhšie. Dĺžka eukaryotického génu závisí od počtu exónov a intrónov, ako aj od ich dĺžky. V rôznych organizmoch sa môže značne líšiť. Takže v Drosophila je priemerná dĺžka génu 2 tis. bp a dĺžka génu pre hodvábny fibroín u priadky morušovej dosahuje 16 tisu. p.n.

Existencia intrónov v štrukturálnej časti génu vytvára určité ťažkosti pri implementácii genetickej informácie, pretože transkribovaná m-RNA obsahuje „extra“ úseky DNA, ktoré by sa následne nemali prekladať na ribozómy. Ako sa tento problém rieši v eukaryotickej bunke? Riešenie našiel americký vedec Philip Sharp z Massachusettského technologického inštitútu, ktorý objavil fenomén spájania (z angličtiny do splace – zošívať bez uzlov).

Mechanizmus spájania. Najprv sa v jadre prepíše celá sekvencia DNA z miesta chromozómu (génu) za vzniku pro-i-RNA – nezrelej dlhšej RNA, ktorá obsahuje exóny aj intróny. Ďalej, keď je pro-i-RNA nasmerovaná z jadra do cytoplazmy, počas prechodu jadrovou membránou dochádza spájanie -dozrievanie pro-i-RNA, v dôsledku čoho sú intróny vyrezané a exóny sú spojené pomocou enzýmu tzv. dozrieť ... Na realizáciu spájania, špeciálne sRNA (dlhé až 160 nukleotidov), ktoré sťahujú konce intrónov k sebe, čo uľahčuje ich excíziu a následné zošívanie exónov. Už zrelá i-RNA, v ktorej nie sú žiadne intróny, vstupuje do cytoplazmy na ribozómoch na transláciu.

Intróny nie sú vždy nekódujúce oblasti. V kvasinkách teda mitochondriálne gény obsahujú intróny kódujúce syntézu enzýmu maturázy, ktorý sa podieľa na excízii intrónov. V niektorých kvasinkových génoch boli nájdené intróny kódujúce cytochróm B atď.

Splicing sa uskutočňuje pomocou proteínových komplexov tzv spliceozómy. Okrem už spomínaných maturáz a sRNA, splikozómy zahŕňajú aj proteíny, ktoré dávajú pro-i-RNA požadovanú konformáciu. Okrem toho je spliceozóm spojený s enzýmami, ktoré vykonávajú polyadenyláciu 3/-konca m-RNA.

Typy spájania: jednoduchý; alternatíva; trans spájanie; automatické spájanie.

Jednoduché spájanie typické pre jednoduché gény, ktorých sekvencia exónov je určená na syntézu len jedného proteínu. V takýchto génoch exóny vždy zaberajú pevnú pozíciu na DNA a odstraňovanie intrónov sa vždy uskutočňuje v jasne označených bodoch.

Alternatívne spájanie charakteristické pre génové oblasti, na ktorých je kódovaných niekoľko proteínov naraz. V tomto prípade rovnaké oblasti pôsobia buď ako exóny alebo intróny. Takže na jednom mieste DNA sú zakódované neuropeptidy hypofýzy a hormón prištítnej žľazy. V závislosti od excízie určitých úsekov DNA sa vytvorí m-RNA, ktorá kóduje konkrétny proteín. Alternatívny zostrih sa vyskytuje pri syntéze imunoglobulínov (protilátok) a pri syntéze antigénov tkanivovej kompatibility (MHC).

Trans-splicing p K tomu dochádza, keď sú exóny z rôznych génov spojené do jednej molekuly mRNA. Je charakteristický pre syntézu zložiek bunkového cytoskeletu.

Automatické spájanie objavený prvýkrát v makronuklee nálevníkov a neskôr v baktériách, Drosophila a iných eukaryotoch. Auto splicing - samorezanie pro-i-RNA bez účasti maturáz a iných enzýmov. RNA, ktorá sama zo seba oddeľuje intróny, dostala názov ribozým . Autosplicing naznačuje, že prvou molekulou nesúcou genetickú informáciu v evolúcii bola RNA. Vykonávala genetické aj katalytické funkcie, ktoré sa neskôr preniesli na DNA a proteíny.

Ako sa v štruktúre génov vytvorili nekódujúce intróny? Existuje hypotéza, že už na začiatku evolúcie eukaryotov boli infikované vírusmi a v dôsledku integrácie vírusovej DNA v chromozómoch do genómu satelitnej (sebeckej) DNA ... Je prítomný nielen v intrónových sekvenciách génov, ale je rozptýlený aj po celej dĺžke chromozómov vo forme obrovských inzertov nekódujúcich sekvencií.

V eukaryotoch, ako aj vo vírusoch, existujú prekrývajúcich sa génov menovite v rovnakej oblasti DNA z rôznych bodov (a/alebo na rôznych vláknach) môže transkripcia začať vytvorením rôznych m-RNA kódujúcich rôzne polypeptidy.

Replikácia v eukaryotoch viacnásobné, v každom chromozóme je 20-100 miest pôvodu replikácie a zodpovedajúci počet replikónov. Replikácia v nich nemusí prebiehať súčasne, bunkové delenie sa však začne až vtedy, keď sa zreplikujú všetky chromozómy po celej dĺžke. Replikácii sa podrobne venuje samostatná kapitola (pozri vyššie).

Prepis a vysielanie v eukaryotoch sú nejednotné v dôsledku prítomnosti jadrovej membrány, konkrétne transkripcia sa uskutočňuje v jadre a výsledná mediátorová RNA musí byť transportovaná z jadra do cytoplazmy na následnú syntézu proteínov (transláciu) na ribozómoch. Už bolo povedané, že pri prechode jadrovou membránou dochádza k zostrihu, t.j. dozrievanie i-RNA. Všetky tieto procesy si vyžadujú čas, preto od okamihu iniciácie transkripcie po objavenie sa proteínového produktu počas translácie uplynie 6-24 hodín. Pre porovnanie: u prokaryotov je tento čas 2-3 minúty.