Избыточность генетической информации у эукариот кратко

Обновлено: 05.07.2024

При изучении первичной структуры, т. е. последовательности нуклеотидов, ряда генов выяснилось, что в них, наряду с участками, кодирующими специфичный для этого гена продукт (полипептид, рРНК, тАНК и т. д.), имеются участки, которые ничего не кодируют, т. е. они подобно межгенным спейсерам (участкам между генами) не содержат генетической информации. Группы ученых, возглавляемых Р. Робертсом и П. Шарпом, обнаружили такие расщепленные гены у аденовируса 2 в 1977 г.

Некодирующие участки получили название интронов, кодирующие — экзонов. Такой тип структурной организации обнаружен для множества генов, локализованных в хромосомах эукариот, для некоторых генов внутриклеточных органелл эукариот — пластид и митохондрий, а также для генов нескольких РНК-содержащих и ДНК-содержащих вирусов, поражающих эукариот. У бактерий интронов в генах нет. Нет интронов и в генах вирусов, поражающих бактерии.

Число и внутригенная локализация интронов характерны для каждого гена, что стано вится очевидным в результате сравнения организации гомологичных генов у разных видов.

У низших эукариот, таких как дрожжи, 95 % генов содержат только один экзон, значит, такие гены не прерываются интронами. У дрозофилы таких генов всего 17%, а у млекопитающих — 6 % (рис. 7.58).

Экзоны имеют, как правило, небольшую длину.

Интроны всегда (установлено для генов, кодирующих белки) имеют на 5′-конце пару последовательностей СТ, а на 3′-конце — AG.

Последовательности нуклеотидов в экзонах консервативны, а в интронах сильно варьируют. Иногда экзон одного гена может быть гомологичным экзону даже другого гена. Например, два β-глобиновых гена мыши имеют по три гомологичных экзона в каждом гене. Между интронами этих генов гомология не найдена, повидимому, из-за того, что интроны эволюционируют значительно быстрее, чем экзоны. При сравнении последовательностей нуклеотидов в одних и тех же генах у разных видов находят большую гомологию в экзонах.

Разные экзоны в пределах гена не только различаются по составу кодируемых ими аминокислот, но и имеют определенные структурные особенности. Например, в геноме человека обнаружено 30-45 тыс. так называемых CpG-островков. Это тяжи неметилированной ДНК с высоким содержанием динуклеотидов CpG. Чаще всего они располагаются в районах стартовых точек транскрипции. Вероятность найти CpG-островки в первых экзонах генов человека в 13 раз выше, чем в интронах, и в два раза выше, чем в других экзонах.

Размеры геномов в зависимости от таксономической принадлежности организмов Длинные молекулы геномной ДНК должны обладать способностью упаковываться в очень небольшом объёме. Ядра клеток эукариот и клетки бактерий имеют размеры ~ 10-6 м, в то же время в каждой клетке человека общая длина ДНК составляет ~ 2 м.

Геномы эукариот организованы существенно более сложно, чем геномы прокариот. Одна из характерных особенностей геномов эукариот — наличие кластеров изофункциональных генов. Изофункциональными называются гены, продукты экспрессии которых характеризуются структурно-функциональным сходством. В качестве примера подобных кластеров можно привести гены рРНК и гистонов. Эти гены тандемно повторяются в геномах и представлены большим числом идентичных копий. Типичный пример кластера генов — кластер бета-глобиновых генов человека, содержащий 5 генов и 1 псевдоген.
Каждый из генов экспрессируется на определенной стадии индивидуального развития организма. В состав кластеров изофункциональных генов могут входить псевдогены — последовательности геномной ДНК, структурно сходные с генами, однако лишённые функциональной активности. Вероятнее всего, они являются остатками когда-то функциональных генов. Например, псевдоген кластера бета-глобиновых генов человека гомологичен гену из этого же кластера, однако мутации в кодирующей части последовательности псевдогена привели к появлению стоп-кодонов во втором и третьем экзонах. Таким образом, этот мутантный ген потерял способность к полноценной экспрессии.
Наиболее вероятно возникновение в ходе эволюции генов одного кластера от общего предкового гена.
Гены эукариот отделены друг от друга районами нетранскрибируемой ДНК (межгенными спейсерами). У прокариот гены также отделены друг от друга спейсерами, однако длина спейсеров эукариот существенно больше. Низкая плотность кодирующих районов — общее свойство геномов эукариот, например, для человека она составляет около 2% (Bork et al., 1998).
Основной причиной того, что геномы эукариот имеют низкую кодирующую плотность, является наличие огромной фракции некодирующей ДНК, представленной повторяющимися последовательностями, межгенными спейсерами и интронами. В этом состоит существенное отличие геномов эукариот и прокариот.
В межгенных спейсерах, а также интронах могут располагаться различные типы повторяющихся последовательностей. Например, общая длина ДНК кластера бета-глобиновых генов человека составляет 73308 пар оснований (п.о.) (EMBL AC U01317). Из них 2.8% приходится на экзоны, 6.1% — на интроны, 8.6% — на различные типы повторяющихся последовательностей. Следует отметить, что насыщенность геномов прокариот повторяющимися последовательностями довольно низка (Kolchanov and Lim, 1994), в то время как для геномов эукариот высокая насыщенность повторами — одно из их характерных свойств.

Повторяющиеся последовательности могут иметь различную длину: от нескольких десятков п.о., до нескольких сот п.о. для диспергированных повторов и тысяч п.о. — для мобильных элементов.
Все повторы в геноме можно разделить на два класса:
1. Тандемные повторы, к которым относятся разные виды сателлитной ДНК, гены рРНК.
2. Диспергированные повторы, распределённые в геноме по принципу чередования с уникальными последовательностями. К этому классу относятся, в частности, различные типы перемещающихся (мобильных) элементов.
В настоящее время не существует детальной классификации повторяющейся ДНК. В обзоре (Heslop-Harrison, 2000) предложена следующая классификация:
1. Тандемные повторы, в которых одна копия следует за другой, так что массив повторяющейся ДНК может насчитывать сотни или тысячи отдельных копий. К этой категории относятся микросателлиты, размер мономера до 5 п.о., а также сателлитная ДНК с большей длиной мономера.
2. Ретроэлементы (мобильные элементы), распространение которых происходит посредством транскрипции. Полученная РНК далее служит матрицей для обратной транскрипции в ДНК, которая затем может встраиваться в определенные места геномной ДНК. К данной категории относятся различные классы диспергированных повторов.
3. Специальный класс повторов — теломерные повторы и рибосомная ДНК. Эти последовательности обладают определённой функцией в геноме: рДНК содержит гены, а теломерная ДНК образует структуры, стабилизируюшие концы хромосом. Теломерная ДНК по структуре сходна с тандемными повторами, размер мономера составляет 6-8 п.о.

В среднем на 1000 п.о. кодирующей ДНК у позвоночных приходится 5.6 интронов (Logsdon, 1998). Число экзонов в одном гене может быть даже больше сотни: например, ген титина (EMBL AC AJ277892) имеет не менее 157 экзонов, так что их общая длина превышает 28347 п.о.

Строение генов эукариот, в отличие от прокариот, характеризуется наличием экзон-интронной структуры. В состав первичного транскрипта — пре-мРНК входят как экзоны, так и интроны (некодирующие районы). В процессе сплайсинга интроны вырезаются из пре-мРНК. Оставшиеся же части — экзоны — объединяются в зрелую матричную РНК (мРНК), которая может транслироваться в белок.

Сайты, по которым происходит вырезание интронов, называют сайтами сплайсинга. Сплайсинг одного гена может происходить несколькими способами. Это означает, что в состав зрелых мРНК могут входить разные комбинации экзонов. Для большинства зрелых мРНК размер составляет от нескольких сот п.о. до 10000 п.о. Максимальная длина зрелой мРНК достигает 80880 п.о. (AC X90568, белок титин, экспрессирующийся в мышечной ткани сердца). В состав первичного транскрипта (пре-мРНК) входят 5′ и 3′ нетранслируемые районы — 5’UTR и 3’UTR, соответственно.

Район, узнаваемый РНК-полимеразой как финиш транскрипции называется районом терминации транскрипции. В 3′ нетранслируемом районе гена — 3’UTR может находиться также контекстный сигнал полиаденилирования.

Сравнение распределений длин экзонов и интронов для разных видов эукариот позволяет заключить, что в направлении от низших эукариот (грибов и беспозвоночных) к высшим (позвоночным) наблюдаются следующие закономерности:

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.

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.

1. Геном прокариот

^ 2. Геном эукариот

К сегментам ДНК, составляющим ген, относятся следующие элементы:

^ 3. Геномы органелл эукариот: ДНК митохондрий и хлоропластов

Геном эукариот более сложен, чем у прокариот и включает нуклеотидные последовательности хромосом, ДНК митохондрий и пластид (1-10 % от общего генома, у дрожжей до 20%), ДНК плазмид у дрожжей, ДНК латентных и дефектных вирусов.

Ядро эукариотхорошо выражено, имеется ядерная мембрана, окружающая хромосомы. Хромосом много, они парные, состоят из гомологичных хроматид, каждая из которых представляет двухцепочечную молекулу ДНК (набор хромосом диплоидный). В составе хромосомы – 50 % ДНК и 50 % белков, которые представленыосновными гистоновыми белками, входящими в состав нуклеосом, икислыми белками, которые заполняют полость нуклеосом, разрыхляют ее и играют важную роль в распаде нуклеосом перед началом транскрипции и репликации.

В релаксированном состоянии хромосомы эукариот могут достигать нескольких сантиметров (у человека до 5 см в длину). Существуют несколько стадий конденсации хромосом, в результате чего хромосома компактизируется, накручивается на нуклеосомы и образует более сложные свернутые структуры.

Стадии компактизации (конденсации) хромосом. Акты конденсации и деконденсации хромосом сменяют друг друга в клеточном цикле: в интерфазе ДНК выглядит в виде вытянутых спутанных нитей и получила название -хроматин. В этом состоянии ДНК частично релаксирована, что облегчает прохождение процесса транскрипции и репликации. Для расхождения (сегрегации) хромосом в митозе очень важно, чтобы хромосомы были суперспирализованы – конденсированы. Для этого в начале профазы митоза ДНК начинает компактизоваться с помощью положительной и отрицательной суперспирализации, а также путем накручивания на нуклеосомы. Нуклеосомная нить ДНК напоминает бусы, в которых нить (суперспирализованная молекула ДНК) намотана на бусинки (нуклеосомы).

Рис. 3.1. Cтадии компактизации хроматина

Нуклеосома– октомер из 8 субъединиц белков-гистонов, включающая по 2 молекулы гистонов Н2А, Н2В, Н3, Н4. Диаметр нуклеосомы - 11 нм, высота - 5,7 нм. По краям от нуклеосом имеются свободные участки ДНК в 20-90 пар нуклеотидов –линкеры.Гистон Н1 не входит в состав нуклеосомы, а фиксирует петли линкеров, удерживая ДНК на нуклеосоме. Такоенуклеосомное строение хромосомхарактерно только для линейных хромосом эукариот.

В результате спирализации и накручивания на нуклеосомы хромосомы укорачиваются и превращаются в метафазные хромосомы (стадия метафазы), сокращаясь в длину в 10000 раз, а в диаметре – примерно в 700 раз. Это способствует нормальному расхождению (сегрегации) хромосом в анафазе митоза. Рентгеноструктурный анализ позволил выявить следующие стадии компактизации ДНК.

1-ая стадия -двухцепочечная спираль ДНК (диаметр – 2 нм), обычно в правозакрученной В-форме.

2-ая стадия– нуклеосомная нить (диаметр – 11нм). ДНК наматывается на частички нуклеосом, образуя на них 1,75 витка (146 пар нуклеотидов).

4-ая стадия– образование петлевых доменов (диаметр 300 нм) формируется путем формирования петель из нити соленоида.

Вгеноме эукариот выделяют следующиетипы последовательностей ДНК:

умеренно повторяющиеся последовательности– встречаются на геном от 10 до10 5 . К нимотносятся последовательности, кодирующие гистоны,рибосомальные белки,р-РНК ит-РНК, IS-элементы, вставочные последовательности.

уникальные гены - специфические гены, которые кодируют синтез структурных и ферментных белков.

В промоторах можна выделить следующие консервативные последовательности: ГЦ-мотив, ЦААТ, ТАТА, АГГАГ, инициирующий кодон АТГ (АУГ на РНК). Далее идет структурная часть гена, которая состоит из экзонов и интронов. За структурной частью гена следует зона терминатора, представленная терминирующим кодоном ТТА (ТАГ или ТГА) и терминатором. На рис. 3.1. представлены основные участки гена эукариот.

Структурная часть гена

Центр узнавания ДНК для РНК-по-лимеразы

Центр связыва-ния с РНК-полиме-разой

ния с рибосо-мой

Рис. 3.2. Тонкая структура гена эукариот

Обозначения и пояснения к рис. 3.2.

Функции основных регуляторных элементов гена

ГЦ-мотив – один из наиболее часто встречающихся регуляторных элементов гена. Представлен палиндромомГГЦГГГ / ЦЦЦГЦЦ, встречается в генах общих функций, то есть тех, которые экспрессируются во всех клетках организма и играют важную роль в их жизнеобеспечении. Этот участок является, очевидно, оператором транскрипции. Присоединение к ГЦ-мотиву белка-регулятораSP1, увеличивает транскрипцию в 10-20 раз.

ЦААТ– участок промотора гена, который, по всей видимости, распознается РНК- полимеразой перед началом транскрипции. Очевидно, этот участок выполняет ту же функцию, что у прокариот ТТГАЦА (блок Гилберта). ЦЦААТ встречается в тканеспецифичных генах, то есть тех, которые экспрессируются только в некоторых тканях и органах. Так, ген инсулина включается в основном только в клетках островков Лангерганса поджелудочной железы, ген альфа-фетопротеина - у взрослого человека только в клетках печени.

блок Хогнеса - ТАТА (ТАТАААА или ТАТААТА), подобенблоку Прибнова (ТАТААТ) у прокариот, служит для присоединения РНК-полимеразы к ДНК в промоторной зоне, его положение в гене относительно нулевой точки начала транскрипции – (-30).

инициирующий кодон представлен триплетом АТГ (АУГ – на РНК), транскрибируется в составе информационной РНК, с него начинается трансляция. При синтезе полипептида на рибосоме этому кодону соответствует аминокислота метионин. С метионина начинается синтез большинства белков.

структурная часть гена – это последовательность ДНК, которая непосредственно кодирует сам белок. У эукариот, в отличие от прокариот, она не цельная, а состоит из экзонов (кодирующих участков) и интронов (вставочных некодирующих участков).

терминирующий кодон - участок, который транскрибируется на и-РНК и обеспечивает окончание трансляции на рибосомах. На ДНК представлен нонсенс-кодонами - триплетами ТАА, ТАГ, ТГА, на РНК им соответствуют УАА, УАГ и УГА. Этим триплетам не соответствует ни одна из аминокислот, поэтому на них в рибосоме обрывается синтез полипептида.

терминаторный участок очевидно представлен в каждом гене специфической нуклеотидной последовательностью.

В геноме эукариот обнаружили также специфические регуляторные последовательности, которые могут выступать в роли энхансеров – усилителей транскрипции, а также последовательности, которые выступают в ролисайленсеров– глушителей транскрипции. Они могут находиться на значительном удалении от гена, который регулируют, причем, одни и те же последовательности в одной клетке могут быть энхансерами, а в другой - сайленсерами. С их помощью регулируется экспрессия генов.

Обнаружены также регуляторные белки, способные связываться с промоторной зоной гена и обеспечивающие либо активацию, либо подавление транскрипции. Так, регуляторный белок SP1, связываясь с ГЦ-мотивом, может усиливать транскрипцию в 10-20 раз.

Устройство генов эукариот.Гены эукариотических организмов обладают следующими характеристиками:

одиночные, т.е. в отличие от прокариот, не собраны в опероны;

иногда олигомерные (представлены генами-кластерами);

прерывистые, т.е. разделены на интроны и экзоны;

перекрывающиеся, т.е. в пределах одного генного участка ДНК может функционировать несколько рамок считывания.

Генетический анализ у эукариот, в частности у их простейших представителей – дрожжей и нейроспоры, показал, что гены, контролирующие различные этапы одного и того же пути метаболизма, как правило, хаотично разбросаны по геному и обычно не образуют скоплений подобно оперонам бактерий. Однако было найдено несколько исключений, а именно: компактный участок ДНК у грибов контролирует 3 реакции в биосинтезе гистидина. Сходная ситуация обнаружена при изучении генетического контроля биосинтеза ароматических аминокислот (триптофана, тирозина, фенилаланина), а также – жирных кислот. У исследователей создалось впечатление, что они имеют дело с опероноподобной структурой, кодирующей мультиэнзимный комплекс. В действительности же оказалось (при использовании мутационного анализа), что у грибов все 5 этапов биосинтеза ароматических аминокислот контролирует 1 ген, продуктом которого является длинная полипептидная цепь массой 150 000 Д. Это не оперон, а ген-кластер (cluster-gene). Такие гены-кластеры довольно часто встречаются у эукариот. В качестве примеров можно привести следующие гены-кластеры:

his 4– ген-кластер для биосинтеза гистидина у дрожжей-сахаромицетов, кодирует единый полипептид с тремя ферментативными активностями;

arom 1– ген-кластер для биосинтеза ароматических аминокислот у нейроспоры, кодирует единый полипептид с пятью ферментативными активностями;

fas 1– первый ген-кластер для биосинтеза жирных кислот у дрожжей-сахаромицетов, кодирует полипептид с тремя ферментативными активностями

fas 2– второй ген-кластер для биосинтеза жирных кислот у дрожжей-сахаромицетов, кодирует единый полипептид с пятью ферментативными активностями.

Существование генов-кластеров является примером молекулярной олигомеризации. Очевидно, считывание с гена-кластера информации сразу о нескольких ферментах метаболического пути является для клетки “экономически” более выгодным, как и в оперонах прокариот. В отличие от оперона бактерий, в генах-кластерах в результате транскрипци и последующей трансляции на рибосомах синтезируется одна длинная молекула полипептида, в которой отдельные домены после пространственной укладки в третичную структуру начинают выполнять функции отдельных ферментов. В оперонах прокариот отдельные гены оперона обычно транслируются в самостоятельные белковые продукты.

Большинство же генов эукариот – одиночные, т. е в ходе эволюции эукариот происходила автономизация генов.По-видимому, это создает благоприятные условия для раздельной, а значит, и более тонкой регуляции функций отдельных генов. Напомним, что у прокариот регуляции зачастую подвержены сразу все гены оперона, за исключением аутогенного котроля, когда ген-регулятор находится среди структурных генов внутри оперона и позволяет регулировать оперон отдельными блоками.

Гены эукариот прерывистые, а именно, состоят из кодирующих участков –экзонов, и не кодирующих –интронов. Такую структуру генов называютинтрон-экзоннойилимозаичной структурой. Длина экзонов достигает 1000 пар нуклеотидов, а интронов – обычно 5000-20000 пар нуклеотидов. Структурная часть гена может включать 2-3 (иногда более) экзонов, разделенных длинными интронами. И хотя интронов обычно бывает немного, число их у разных видов и в разных генах может колебаться от 0 (в генах гистонов) до 51 (в структурном гене коллагена). Экзонов всегда больше, чем интронов, но на долю интронов приходится в 5-7 раз больше нуклеотидных пар, чем на долю экзонов, поскольку интроны длиннее. В зависимости от количества экзонов и интронов, а также от их длины зависит длина гена эукариот. У разных организмов она может сильно варьировать. Так, у дрозофилы средняя длина гена составляет 2 тис. п. н., а длина гена фиброина шелка у шелковичного червя достигает 16 тис. п.н.

Механизм сплайсинга.Сначала в ядре с участка хромосомы (гена) транскрибируется полностью последовательность ДНК с формированием про-и-РНК – незрелой, более длинной РНК, которая содержит как экзоны, так и интроны. Далее, когда про-и-РНК направляется из ядра в цитоплазму, при прохождении ядерной мембраны происходитсплайсинг - созревание про-и-РНК, в результате которого вырезаются интроны, а экзоны сшиваются между собой с помощью фермента, получившего названиематураза. Для осуществления сплайсинга важную роль играют особые sРНК (длиной до 160 нуклеотидов), которые стягивают между собой концы интронов, что способствует их вырезанию и последующему сшиванию экзонов. В цитоплазму на рибосомы для трансляции поступает уже зрелая и-РНК, в которой нет интронов.

Интроны не всегда являются некодирующими участками. Так, у дрожжей в генах митохондрий обнаружены интроны, кодирующие синтез фермента матуразы, который участвует в вырезании интронов. В некоторых генах дрожжей обнаружены интроны, кодирующие цитохром В и т.д.

Сплайсинг осуществляется белковыми комплексами, получившими название сплайсосомы. В состав сплайсосом, помимо уже названных матураз и sРНК, входят еще белки, придающие про-и-РНК нужную конформацию. Кроме того, сплайсосома связана с ферментами, осуществляющими полиаденилирование 3 / -конца и-РНК.

Типы сплайсинга: простой; альтернативный; транссплайсинг; аутосплайсинг.

Простой сплайсинг характерен для простых генов, последовательность экзонов которых предназначена для синтеза только одного белка. В таких генах экзоны занимают на ДНК всегда фиксированное положение и удаление интронов всегда ведется в четко обозначенных точках.

Альтернативный сплайсинг характерен для генных участков, на которых закодированы сразу несколько белков. При этом одни и те же участки выступают то экзонами, то интронами. Так на одном участке ДНК кодируется нейропептид гипофиза и гормон паращитовидной железы. В зависимости от вырезания тех или иных участков ДНК образуется и-РНК, кодирующая тот или иной белок. Альтернативный сплайсинг имеет место при синтезе иммуноглобулинов (антител) и при синтезе антигенов тканевой совместимости (МНС).

Транссплайсинг происходит, если в одну молекулу и-РНК объединяются экзоны из разных генов. Характерен для синтеза компонентов цитоскелета клетки.

Аутосплайсингобнаружен впервые в макронуклеусе инфузорий, а позже у бактерий, дрозофил и других эукариот. Аутосплайсинг – самонарезание про-и-РНК без участия матураз и других ферментов. РНК, которая сама вырезает из себя интроны, получила названиерибозим.Аутосплайсинг свидетельствует о том, что первой молекулой, несущей генетическую информацию, в эволюции была РНК. Она выполняла и генетическую и каталитическую функции, переданные позднее ДНК и белкам соответственно.

Как же в структуре генов образовались некодирующие интроны? Существует гипотеза, что еще на заре эволюции эукариот, они заражались вирусами и за счет интеграции в геном вирусной ДНК в хромосомах появилась избыточная сателлитная (эгоистическая) ДНК. Она присутствует не только в интронных последовательностях генов, но и разбросана по всей длине хромосом в виде огромных вставок некодирующих последовательностей.

У эукариот, так же как и у вирусов, встречаются перекрывающиеся гены, а именно на одном и том же участке ДНК с разных точек (и/или на разных цепях) может начинаться транскрипция с образованием разных и-РНК, кодирующих разные полипептиды.

Репликация у эукариотмножественная, в каждой хромосоме существует 20-100 сайтов начала репликации и соответствующее число репликонов. Репликация в них может идти не одномоментно, однако деление клетки не начинается, пока не реплицированы все хромосомы на всем их протяжении. Подробно репликация рассмотрена в отдельной лекции (см. выше).

Транскрипция и трансляция у эукариот разобщены из-за наличия ядерной мембраны, а именно, транскрипция осуществляется в ядре, а образующаяся при этом информационная РНК должна транспортироваться из ядра в цитоплазму для последующего синтеза белка (трансляции) на рибосомах. Уже говорилось о том, что при преодолении ядерной мембраны происходит сплайсинг, т.е. созревание и-РНК. На все эти процессы необходимо время, поэтому от момента инициации транскрипции до появления белкового продукта в процессе трансляции проходит 6-24 часа. Для сравнения: у прокариот это время составляет 2-3 минуты.

Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами. У кишечной палочки (Е. coli) он представлен кольцевой молекулой ДНК длиной около 1 мм, которая содержит 4·10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. Основная масса ДНК прокариот (около 95%) активно транскрибируется в каждый данный момент времени. Как было сказано выше, геном прокариотической клетки организован в виде нуклеоида — комплекса ДНК с негистоновыми белками (см. разд. 3.5.2.4).

У эукариот объем наследственного материала значительно больше. У дрожжей он составляет 2,3 · 10 7 п.н., у человека общая длина ДНК в диплоидном хромосомном наборе клеток — около 174 см. Его геном содержит 3·10 9 п.н. и включает по последним данным 30—40 тыс. генов.

У некоторых амфибий и растений геном характеризуется еще большими размерами, достигающими 10 10 и 10 11 п. н. В отличие от прокариот в эукариотических клетках одновременно активно транскрибируется от 1 до 10% ДНК. Состав транскрибируемых последовательностей и их количество зависят от типа клетки и стадии онтогенеза. Значительная часть нуклеотидных последовательностей у эукариот не транскрибируется вообще — молчащая ДНК.

Большой объем наследственного материала эукариот объясняется существованием в нем помимо уникальных также умеренно и высоко повторяющихся последовательностей. Так, около 10% генома мыши составляют тандемно расположенные (друг за другом) короткие нуклеотидные последовательности, повторенные до 10 6 раз. Эти высоко повторяющиеся последовательности ДНК располагаются в основном в гетерохроматине, окружающем центромерные участки. Они не транскрибируются. Около 20% генома мыши образовано умеренными повторами, встречающимися с частотой 10 3 —10 5 раз. Такие повторы распределены по всему геному и транскрибируются в РНК. К ним относятся гены, контролирующие синтез гистонов, тРНК, рРНК и некоторые другие. Остальные 70% генома мыши представлены уникальными нуклеотидными последовательностями. У растений и амфибий на долю умеренно и высоко повторяющихся последовательностей приходится до 60% генома.

Избыточность генома эукариот объясняется также экзон-интронной организацией большинства эукариотических генов, при которой значительная часть транскрибированной РНК удаляется в ходе следующего за синтезом процессинга и не используется для кодирования аминокислотных последовательностей белков (см. разд. 3.4.3.2).

В настоящее время окончательно не выяснены функции молчащей ДНК, которая составляет значительную часть генома, реплицируется, но не транскрибируется. Высказывают предположения об определенном значении такой ДНК в обеспечении структурной организации хроматина (см. разд. 3.5.2.2). Некоторая часть нетранскрибируемых нуклеотидных последовательностей, очевидно, участвует в регуляции экспрессии генов (см. разд. 3.6.6).

Характеризуя наследственный материал прокариотической клетки в целом, необходимо отметить, что он заключен не только в нуклеоиде, но также присутствует в цитоплазме в виде небольших кольцевых фрагментов ДНК — плазмид.

Плазмиды — это широко распространенные в живых клетках внехромосомные генетические элементы, способные существовать и размножаться в клетке автономно от геномной ДНК. Описаны плазмиды, которые реплицируются не автономно, а только в составе геномной ДНК, в которую они включаются в определенных участках. В этом случае их называют эписомами.

В прокариотических (бактериальных) клетках обнаружены плазмиды, которые несут наследственный материал, определяющий такие свойства, как способность бактерий к конъюгации, а также их устойчивость к некоторым лекарственным веществам.

В эукариотических клетках внехромосомная ДНК представлена генетическим аппаратом органелл — митохондрий и пластид, а также нуклеотидными последовательностями, не являющимися жизненно необходимыми для клетки (вирусоподобными частицами). Наследственный материал органелл находится в их матриксе в виде нескольких копий кольцевых молекул ДНК, не связанных с гистонами. В митохондриях, например содержится от 2 до 10 копий мтДНК.

Внехромосомная ДНК составляет лишь небольшую часть наследственного материала эукариотической клетки. Например, мтДНК человека содержит 16569 п.н. и на её долю приходится менее 1% всей клеточной ДНК.

Если большинство ядерных генов представлены в клетках организма в двойной дозе (аллельные гены), то митохондриальные гены представлены многими тысячами копий па клетку.

Для генома митохондрий характерны межиндивидуальные различия, но в клетках одного индивида, как правило, мтДНК идентична.

Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК, называют плазмоном. Он определяет особый тип наследования признаков — цитоплазматическое наследование (см. разд. 6.3.2.).

3.6.4. Эволюция генома

3.6.4.1. Геном предполагаемого общего предка про- и эукариот

Общие принципы организации наследственного материала, представленного нуклеиновыми кислотами, а также принципы записи генетической информации у про- и эукариот свидетельствуют в пользу единства их происхождения от общего предка, у которого уже была решена проблема самовоспроизведения и записи информации на основе репликации ДНК и универсальности генетического кода. Однако геном такого предка сохранял большие эволюционные возможности, связанные с развитием надмолекулярной организации наследственного материала, разных путей реализации наследственной информации и регуляции этих процессов.

Многочисленные указания на различия в организации генома, деталях процессов экспрессии генов и механизмов ее регуляции у про- и эукариот (см. §3.4; 3.5; 3.6) свидетельствуют в пользу эволюции названных типов клеток по разным направлениям после их дивергенции от общего предка.

Существует предположение, что в процессе возникновения жизни на Земле первым шагом явилось образование самовоспроизводящихся молекул нуклеиновых кислот, не несущих первоначально функции кодирования аминокислот в белках. Благодаря способности к самовоспроизведению эти молекулы сохранялись во времени. Таким образом, первоначальный отбор шел на способность к самосохранению через самовоспроизведение. В соответствии с рассмотренным предположением позднее некоторые участки ДНК приобрели функцию кодирования, т.е. стали структурными генами, совокупность которых на определенном этапе эволюции составила первичный генотип. Экспрессия возникших кодирующих последовательностей ДНК привела к формированию первичного фенотипа, который оценивался естественным отбором на способность выживать в конкретной среде.

Важным моментом в рассматриваемой гипотезе является предположение о том, что существенным компонентом первых клеточных геномов была избыточная ДНК, способная реплицироваться, но не несущая функциональной нагрузки в отношении формирования фенотипа. Предполагают, что разные направления эволюции геномов про- и эукариот связаны с различной судьбой этой избыточной ДНК предкового генома, который должен был характеризоваться достаточно большим объемом. Вероятно, на ранних стадиях эволюции простейших клеточных форм у них еще не были в совершенстве отработаны главные механизмы потока информации (репликация, транскрипция, трансляция). Избыточность ДНК в этих условиях создавала возможность расширения объема кодирующих нуклеотидных последовательностей за счет некодирующих, обеспечивая возникновение многих вариантов решения проблемы формирования жизнеспособного фенотипа.

3.6.4.2. Эволюция прокариотического генома

По мере совершенствования и повышения надежности главных механизмов потока информации значение избыточной ДНК в повышении выживаемости организмов снижалась. В такой ситуации одним из возможных направлений изменения генома было уменьшение его размеров за счет утраты некодирующих нуклеотидных последовательностей. Именно так можно представить эволюционный путь, пройденный геномом современных прокариот. Одновременно в качестве механизмов, поддерживающих выживаемость этих форм, в историческом развитии закреплялось свойственное им короткое время генерации, т.е. интенсивное размножение и быстрая смена поколений (кишечная палочка делится каждые 20 мин). Перечисленные особенности хорошо сочетаются с гаплоидностью прокариот, что приводит к воспроизведению в фенотипе любой мутации.

Экспрессия 95% ДНК, относительно малые размеры генома, гаплоидность, проявление в фенотипе практически каждой мутации в сочетании с коротким временем генерации обусловливают высокую приспособленность. Вместе с тем для прокариотического типа организации не свойственны обширные и разнообразные изменения структуры. Вследствие этого описанное направление эволюции, обеспечивая высокую способность к выживанию (прокариоты существуют на Земле около 3,5 млрд. лет), является тупиковым в плане прогрессивной эволюции живых существ.

3.6.4.3. Эволюция эукариотического генома

По-видимому, в ходе эволюции в результате накопления мутаций и дивергенции нуклеотидных последовательностей полиплоидизация сопровождалась переходом к диплоидному состоянию. Само по себе увеличение дозы генов еще не означает достижения однозначно положительного биологического результата. Об этом свидетельствует развитие в эволюции эукариот механизмов компенсации возрастающей дозы генов в ходе их экспрессии путем сокращения времени жизни в клетках зрелой РНК. Так, у тетраплоидных карповых рыб в ответ на увеличение дозы генов рРНК в молекулах рРНК соматических клеток возникают скрытые внутренние разрывы, которые приводят к преждевременному их старению и сокращению содержания в цитоплазме.

Если бы увеличение объема генома происходило только в результате полиплоидизации, то в природе должно было бы наблюдаться скачкообразное изменение его размеров. На самом деле этот процесс демонстрирует плавное увеличение содержания ДНК в геноме. Это позволяет допустить возможность других механизмов, изменяющих его объем.

Действительно, некоторое значение в определении размера генома имеют хромосомные перестройки, сопровождающиеся изменением содержания ДНК в них, такие, как дупликации, делении и транслокации. Они обусловливают повторение, утрату некоторых последовательностей в составе хромосомы или перенос их в другие хромосомы.

Во всех случаях амплификация некоторой последовательности приводит к возникновению в геноме более или менее многочисленных повторов и способствует некратному увеличению его объема. Наличие таких повторов в сочетании с мутационным процессом является предпосылкой дивергентной эволюции однотипных последовательностей в пределах семейства с соответствующим изменением свойств кодируемых белков или РНК.

Ярким примером эволюционной судьбы амплифицированных нуклеотидных последовательностей являются семейства глобиновых генов, широко распространенных в природе у видов разных уровней организации. У высших позвоночных известен ряд глобиновых генов, контролирующих синтез полипептидов гемоглобина. У человека в геноме имеется восемь активных глобиновых генов, образующих два семейства (см. рис. 6.5). Семейство генов, определяющих синтез α-глобинов, содержит ξ1-глобиновый ген, активно функционирующий в эмбриогенезе, и два α-глобиновых гена, которые экспрессируются у плода и взрослого человека. Это семейство генов располагается в 16-й хромосоме в следующем порядке: 5'—ξ₂—ψξ₁—α₂—α₁—3'. Семейство генов, определяющих синтез β-глобинов, расположенное в 11-й хромосоме, содержит ε-глобиновый ген эмбриона, два сходных γ-глобиновых гена плода GγAγ малый δ- и большой β-глобиновые гены взрослых: 5' — ε —Gγ — Aγ — δ — β — 3'.

Изучение гомологии продуктов указанных генов и генов миоглобина у разных видов организмов позволило предположить общность происхождения этих семейств. Вероятно, около 1100 млн. лет назад произошла дупликация гена-предшественника, давшая начало гемоглобиновым и миоглобиновым генам. Позднее, около 500 млн. лет назад, на ранней стадии эволюции позвоночных произошла дупликация, давшая начало двум (α и β) семействам глобиновых генов, сопровождавшаяся транслокацией. Примерно 200 млн. лет назад очередная дупликация привела к возникновению в семействе β-глобиновых генов генов β-глобинов плодов и взрослых. Около 100 млн. лет назад произошло образование ε- и γ-глобиновых генов и, наконец, 40 млн. лет назад появились δ- и β-глобиновые гены.

Семейства α- и β-глобиновых генов организованы в генные кластеры, возникшие, вероятно, в результате тандемной дупликации генов. В составе указанных кластеров наряду с активно функционирующими на разных стадиях онтогенеза генами обнаружены неактивные, или псевдогены. Последние возникли, вероятно, в результате появления в них изменений, несовместимых с врзможностью их экспрессии. В семействе β-глобиновых генов содержится два псевдогена: ψβ₁ и ψβ₂. В α-семействе имеются ψξ₁ и ψξ₂псевдогены.

Дивергенция амплифицированных последовательностей с образованием разных генов или их семейств обусловлена накоплением в них различных изменений в виде замен оснований или других генных мутаций. О гомологии глобиновых генов обоих семейств свидетельствует наличие во всех активных глобиновых генах позвоночных двух интронных участков, занимающих в них строго одинаковое положение. Такую же организацию имеют и псевдогены ψα₁ человека, ψα₂ у кролика. Однако в ψα₃-псевдогене мыши в ходе эволюции оба интрона оказались точно вырезанными.

Результатом амплификации небольших последовательностей ДНК в пределах функциональной единицы является удлинение гена, при котором из простых генов могут возникать более сложные. Это может происходить за счет тандемных дупликации. Например, в генах, кодирующих вариабельные участки иммуноглобулинов мыши, последовательности из 600 п.н. образуются в результате 12 тандемных повторов исходной предковой последовательности в 48 п.н. Другим примером удлинения гена посредством тандемных дупликации служит ген коллагена α₂, который у курицы состоит из 34 000 п.н. и содержит больше 50 экзонов. Длина таких участков во всех случаях кратна девяти нуклеотидным парам. Эволюция этих экзонов, очевидно, шла от гипотетического исходного строительного блока длиной в 54 пары нуклеотидов.

Таким образом, амплификация нуклеотидных последовательностей, происходившая в процессе эволюции генома, обеспечивала не только его количественное увеличение, появление семейств генов, но и создавала предпосылки для накопления в них изменений, дивергенции генов, увеличения разнообразия контролируемых ими продуктов.

3.6.4.4. Подвижные генетические элементы

Определенная роль в эволюции геномов как про-, так и эукариотических клеток принадлежит так называемым подвижным генетическим элементам —транспозонам. Они представляют собой автономные единицы, несущие в нуклеотидной последовательности информацию о структуре особых белков, которые обеспечивают их способность к перемещению из одного участка генома в другой. Такое перемещение — транспозиция — может происходить в строго определенные участки хромосом, узнаваемые этими специфическими белками. Транспозиция предполагает репликацию нуклеотидной последовательности подвижного генетического элемента и встраивание копии в ДНК-мишень с сохранением другой копии в прежнем месте.

Установлена также способность подвижных генетических элементов к точному вырезанию и удалению их из хромосомы. Перемещение таких нуклеотидных последовательностей в пределах генома может влиять на регуляцию экспрессии генов, которые прилежат к месту встраивания этих элементов. В результате таких перемещений могут активироваться ранее не активные гены, и наоборот.

Обнаружение подвижных генетических элементов в геномах как про-, так и эукариот указывает на определенные эволюционные преимущества, связанные с их наличием в наследственном материале. Возможно, рекомбинационные процессы, обеспечиваемые подвижными генетическими элементами, имеют немаловажное значение в структурной эволюции генома.

3.6.4.5. Роль горизонтального переноса генетического материала

в эволюции генома

Наряду с транспозонами, не способными очевидно, существовать вне генома и образовывать свободные молекулы ДНК, описаны элементы, обнаруживаемые как в составе генома, так и вне его. Существование таких подвижных элементов дает возможность обсуждать роль горизонтального переноса генетического материала в эволюции генома.

Если описанные выше изменения структуры генома передаются из поколения в поколение организмов одного и того же вида, т.е. по вертикали, то горизонтальный перенос генетической информации может происходить и между организмами разных видов, одновременно существующими на Земле. В настоящее время доказана возможность изменения наследственных свойств у бактерий путем введения в бактериальную клетку чужеродной ДНК при конъюгации или с помощью фагов. Оказывается, чужеродную ДНК можно ввести и в эукариотическую клетку, где она будет сохраняться как внехромосомный элемент или интегрироваться в геном и экспрессироваться.

Недавно получены данные, свидетельствующие о том, что гены могут переходить от одного эукариотического организма к другому и даже от эукариот к прокариотам, хотя это происходит крайне редко. Примером могут служить данные о несовпадении скоростей эволюции отдельных последовательностей генов гистонов у некоторых видов морских ежей. Это можно объяснить относительно поздним по сравнению с временем дивергенции этих видов горизонтальным переносом указанных последовательностей, проявляющих большее сходство, чем этого можно было ожидать.

Другим примером является более высокая гомология фермента супероксиддисмутазы у рыбы семейства сребробрюшковых и ее бактериального симбионта, чем у последнего и других прокариот. Объяснением такого сходства может служить горизонтальный перенос гена, кодирующего этот фермент от рыбы-хозяина к бактерии-симбионту.

Вероятно, ведущая роль в горизонтальном переносе генетической информации принадлежит вирусам. В настоящее время широко обсуждается роль ретровирусов, наследственный материал которых представлен молекулой РНК, в перенесении информации от клетки к клетке. Включая в свой геном мРНКэукариотической клетки-хозяина, вирус затем переносит ее в другую клетку, где происходит обратная транскрипция. ДНК, синтезированная на матрице РНК вируса, включается в геном новой клетки-хозяина, неся в себе информацию от предыдущего хозяина, и начинает работать в ней, обеспечивая этой клетке новые наследственные свойства.

Данных по горизонтальному переносу генов еще очень мало, и они не являются бесспорными, поскольку не исключены и другие объяснения. Если же такой перенос имеет место, то это означает, что существуют пути эволюции, считавшиеся невозможными для эукариот. В любом случае подобное явление происходит крайне редко, так как необходимость взаимного приспособления генов в геноме ограничивает возможность встраивания в него чужеродных функциональных последовательностей.

Читайте также: