Особенности строения генома эукариот и прокариот. Строение генов.

Организация генома. 1 уровень – отдельные гены и соответствующие регуляторные элементы. 2 уровень – число генов и других сегментов ДНК и их взаимное расположение. 3 уровень – система хроматина и ее влияние на линейную организацию и экспрессию генов.

Количественные особенности генома эукариот.

Главная – наличие избыточной ДНК. Этот факт легко выявляется при анализе отношения числа генов к количеству ДНК в геноме бактерии и млекопитающих. Около 95% генома бактерий состоит из кодирующих (генных) последовательностей. Остальные 5%, по-видимому, заняты регуляторными элементами. Иная картина наблюдается у эукариотических организмов. Например, у человека насчитывают приблизительно 5∙104 генов (имеется в виду только суммарная длина кодирующих участков ДНК — экзонов). В то же время размер генома человека 3∙109 п.н. Это означает, что кодирующая часть его генома составляет всего 15—20% от тотальной ДНК.

Нуклеотидные последовательности в геноме эукариот.

В конце 60-х годов XX века работами американских ученых Р.Бриттена, Э.Дэвидсона и других была открыта фундаментальная особенность молекулярной структуры генома эукариот — нуклеотидные последовательности разной степени повторяемости. Это открытие было сделано с помощью молекулярно-биологического метода изучения кинетики ренатурации денатурированной ДНК. Различают следующие фракции в геноме эукариот.

1.Уникальные, т.е. последовательности, представленные в одном экземпляре или немногими копиями. Как правило, это цистроны – структурные гены, кодирующие белки. 2. Низкочастоные повторы – последовательности, повторяющиеся десятки раз. 3. Промежуточные, или среднечастотные, повторы — последовательности, повторяющиеся десятки и сотни раз. К ним относятся гены рРНК у человека 200 на гаплоидный набор, мыши – 100, коши – 1000), тРНК, гены рибосомных белков и белков-гистонов. 4. Высокочастотные повторы, число которых достигает 10 миллионов (на геном). Повторы образуют так называемые семейства, под которыми понимают совокупность последовательностей, полностью или по большей части гомологичных друг другу. Это короткие (примерно 10 пн) некодирующие последовательности, которые входят в состав прицентромерного гетерохроматина.

Хроматин и компактизация хромосом. Основой генетического аппарата эукариот являются линейные хромосомы. В основе хромосомы лежит линейная двуспиральная правозакрученная молекула ДНК, связанная со специфическими белками-гистонами. Отсутствие гистонов в перечисленных случаях рассматривается как вторичное явление. Гистоны Н2 - Н4 эволюционно устойчивы: из 102 аминокислот Н4 наблюдаются различия лишь по 1-2 аминокислотам у высших растений, рыб и млекопитающих. Гистон Н1 весьма вариабелен, и даже в тканях одного организма встречается 3 - 6 вариантов этого белка. Гистоны Н2 - Н4 образуют белковое ядро из 8 полипептидов (каждый гистон повторяется 2 раза). Вокруг этого ядра уложен участок ДНК длиной 140 пн, образующий 1,75 витка по периферии. Такая структура называется нуклеосома. Отдельные нуклеосомы - это дисковидные частицы диаметром около 10 нм. Закручивание ДНК вокруг нуклеосомы уменьшает ее длину в семь раз. Участки ДНК между нуклеосомами длиной 15…10 пн называются линкерами (связками). Структура линкеров стабилизируется с помощью гистона Н1. Последовательность нуклеосом образует или еще одну спираль диаметром 25…20 нм (соленоид), или последовательность нуклеосомных группировок - нуклеомеров. Эти высшие структуры образуют петли или домены. Кон-денсация ДНК в структуре соленоида дополнительно (к нуклеосомному уровню) уменьшает ее длину в шесть раз. В интерфазных хромосомах путем еще одного цикла конденсации соленоиды образуют полые трубочки диаметром 200 нм, что уменьшает длину ДНК еще в 18 раз. Описанная структура хромосом у эукариот обеспечивает их устойчивость и недоступность основной массы ДНК для химических мутагенов. При транскрипции, т.е. синтезе РНК, и репликации происходит деспирализация хромосом, что обеспечивает возможность контакта определенных участков ДНК с ДНК-полимеразой или РНК-полимеразой. Определенные участки хромосом в ядре тесно связаны с ядерной мембраной. Всегда связаны с мембраной концевые (теломерные) участки и некоторые другие (интерстициальные) участки. Такие связи обеспечивают определенную структуру ядра и защищают хромосомы от разрушения ферментами-нуклеазами(геном-транскриптон-протеном-фенотип). Ю. С. Ченцовым и его сотрудниками открыта специальная частица, обеспечивающая связь хроматина с ядерной мембраной, которую предложено называть анкоросомой (якорной частицей).

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. 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.

Определения понятия ген. Согласно классическим представлениям, ГЕН – это элементарная единица наследственности, которая определяет развитие одного признака. Ген - это локус на хромосоме, мутации в котором проявляются на уровне фенотипа.

Согласно современным представлениям ГЕН – это участок молекулы ДНК, включающий регуляторные и структурные участки, кодирующие синтез функциональной молекулы белка или РНК.

Строение генов. Ген включает несколько функциональных участков ДНК. Гены прокариот и эукариот содержат промотор, кодирующий участок и терминатор (уэукариот роль терминатора выполняет сигнал полиаденилирования).

13. Регуляция экспрессии генов у прокариот.

Триптофановый оперон (trp-оперон)— это оперон кишечной палочкиE. coli,

кодирующий 5 полипептидных цепей, которые затем образуют 3 белка. Эти белки синтезируют триптофан из хоризмовой кислоты:

1.Антранилатсинтаза;

2.N-(5’-фосфорибозил)-антранилатизомеразаи индол3-глицеролфос-

фатсинтаза (комплексный фермент с двумя активными центрами);

3.Триптофансинтаза.

В норме триптофановый оперон включён: на нём идёт транскрипция, trp- репрессор синтезируется неактивным (в отличие от lac-репрессора, который после синтеза сразу активен). Как только белки, кодируемые trp-опероном, синтезируют избыток триптофана, его молекулы соединяются с trp-репрессороми активируют его. Комплекс trp-репрессор +триптофан связывается с оператором trp-оперона и снижается частоту транскрипции на нём примерно в 70 раз. Как только концентрация триптофана в среде снова снижается, trp-репрессор переходит в неактивное состояние, и транскрипция на trp-опероне возобновляется.

В этом механизме регуляции — репрессии — триптофан является корепрессором. Репрессия trp-оперона— другой пример негативной регуляции. Ранее считалось, что репрессия — единственный механизм регуляции экспрессии триптофанового оперона. Однако в последствие стало известно о существовании ещё одного негативного механизма —аттенуации. Участок ДНК, отвечающий за этот вид регуляции, был назван аттенуатором.

РНК-полимераза, избежавшая репрессии (к примеру, в результате спонтанной диссоциации активного комплекса trp-репрессор +корепрессор), инициирует транскрипцию на trp-опероне. После транскрипции сайта инициации трансляции происходит сборка рибосом на данном участке и трансляция лидерного пептида.