Тонкая структура гена и механизм считывания информации с гена

Введение 

    “Гены — это атомы наследственности” - этими словами в 1961 г. американский генетик С. Бензер начал свою итоговую Гарвеевскую лекцию о внутренней структуре гена.

    Одно  из наиболее существенных достижений молекулярной генетики заключается в установлении минимальных размеров участка гена, передающихся при кроссинговере (в молекулярной генетики вместо термина "кроссинговера" принят термин "рекомбинация"), подвергающихся мутации и осуществляющих одну функцию. Оценки этих величин были получены в 50-е годы С. Бензером.

    Среди различных внутригенных мутаций  Бензер выделил два класса: точечные мутации (мутации минимальной протяженности) и делеции (мутации, занимающие достаточно широкую область гена). Установив факт существования точечных мутаций, Бензер задался целью определить минимальную длину участка ДНК, передаваемую при рекомбинации. Оказалось, что эта величина составляет не больше нескольких нуклеотидов. Бензер назвал эту величину реконом.

    Следующим этапом было установление минимальной  длины участка, изменения которого достаточно для возникновения мутации (мутона). По мнению Бензера, эта величина равна нескольким нуклеотидам. Однако в дальнейших тщательных определениях было выявлено, что длина одного мутона не превышает размер одного нуклеотида.

    Следующим важным этапом в изучении генетического материала было подразделение всех генов на два типа: регуляторные гены, дающие информацию о строении регуляторных белков и структурные гены, кодирующие строение остальных полипептидных цепей. Эта идея и экспериментальное доказательство было разработано исследователями Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961).

    Выяснение основной функции гена как хранителя  информации о строении определенной полипептидной цепи  поставило перед молекулярной генетикой вопрос: каким образом осуществляется перенос информации от генетических структур (ДНК) к морфологическим структурам, другими словами, каким образом записана генетическая информация и как она реализуется в клетке.

    Согласно  модели Уотсона - Крика, генетическую информацию в ДНК несет последовательность расположения оснований. Таким образом, в ДНК заключены четыре элемента генетической информации. В тоже время в белках было обнаружено 20 основных аминокислот. Необходимо было выяснить, как язык четырехбуквенной записи в ДНК может быть переведен на язык двадцати буквенной записи в белках. Решающий вклад в разработку этого механизма был внесен Г. Гамовым(1954,1957). Он предположил, что для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту,  получила название кодона.

    Предположение Гамова о трехнуклеотидном составе  кодона выглядело логически, доказать его экспериментально долгое время не удавалось. Только в конце 1961 г., когда многим стало казаться, что этот вопрос не будут решен, была опубликована работа кембриджской группой исследователей (Ф. Крик, Л. Барнет, С. Берннер и Р. Ваттс - Тобин), выяснившей тип кода и установивших его общую природу. Важным в их работе было то, что они с самого начала строго поставили вопрос о роли начальной, стартовой точки в гене. Они доказали, что в каждом гене есть строго фиксированная начальная точка, с которой фермент, синтезирующий РНК, начинает " прочтение " гена, причем читает его в одном направлении и непрерывно. Авторы так же доказали, что размер кодона действительно равен трем нуклеотидам и что наследственная информация, записанная в ДНК, читается от начальной точки гена "без запятых и промежутков". 
 
 
 
 

Основная  часть 

1.Тонкая структура гена 

    В классической генетике словом «ген» обозначалась единица генетического материала, выделяемая по трем критериям: по функции, мутации и рекомбинации. Изначально предполагалось, что ген — это функциональная единица, то есть нечто, определяющее отдельный признак. Такое представление сохранилось и до сих пор, но сейчас нам известно, что на один и тот же признак могут воздействовать различные гены и что при мутации гены могут давать один и тот же фенотип. Кроме того, ген определяли как единицу мутации. Эксперименты Бензера показали, что ген представляет собой линейную последовательность многих участков, в которых возможны разные мутации. При этом ген понимается как последовательность, кодирующая синтез отдельной полипептидной цепи, и это представление основано на концепции Бидла и Тэйтема «один ген — один фермент». Гены они определяли и как единицы рекомбинаций, хотя сейчас известно, что гены не представляют собой неделимые «бусины» на цепи, а рекомбинации происходят и внутри генов. Это и следовало ожидать, если предположить, что ген представляет собой всего лишь участок ДНК, любые нуклеотидные пары которой могут изменяться, в результате мутации и рекомбинаций.

    В свете последних исследований, особенно секвенирования (определения последовательности ДНК), приходится по-новому подходить к вопросу о том, что представляет собой ген. Так, оказалось, что в ДНК эукариот последовательности, кодирующие синтез белков, прерываются некодирующими последовательностями, называемыми интронами, которые удаляются непосредственно перед синтезом белка. Иногда на протяжении одного участка ДНК кодирующие последовательности, прерываемые интронами, сочетаются по-разному и кодируют разные белки. Если отождествлять отдельный ген с производством отдельного белка, то приходится признать, что одна и та же последовательность ДНК в таких случаях содержит несколько генов. Это только одна из трудностей. Другая состоит в том, что экспрессию, или «включенность», генов контролируют последовательности на участках ДНК, примыкающих к кодирующей последовательности, но не входящих в нее. Мутации в контролирующих участках могут привести к утрате геном функции, точно так же как и мутации внутри кодирующей последовательности. Поэтому, если выделять ген по критерию мутации, приходится признать, что контролирующие участки тоже относятся к гену. И, наконец, подробный анализ ДНК-последовательностей целых геномов, включая и геном человека, предоставляют возможность опознать гены (по крайней мере, нечто вроде генов) на основании последовательности, а не мутаций. Белки со схожими функциями даже в очень отличающихся друг от друга организмах имеют много общего в строении. В настоящее время собраны обширные базы данных о ДНК-последовательностях, кодирующих белки; компьютерные программы могут просматривать все вновь определяемые последовательности и устанавливать возможные гены, предположительно кодирующие белки с теми или иными функциями. Даже если новая последовательность оказывается совсем не похожей на те, что уже имеются в базе, ученые все равно могут сделать вывод, что это ген, на основании хорошо известных признаков, общих для всех генов. Исходя из самого поверхностного анализа человеческого генома, возможно предположить, что он содержит 30 000—50 000 генов, но если одна последовательность может включать более одного гена, то количество генов будет гораздо больше.

    Генетические  эксперименты Бензера и других ученых помогли составить представление  о строении гена. Однако для любой  науки характерно, что очередное  открытие в отдельной области  или технологии способно изменить основные ее положения.

    В ходе реакций матричного синтеза  на основании генетического кода синтезируется полипептид с наследственно  обусловленной структурой. Отрезок  ДНК, содержащий информацию о структуре  определенного полипептида, называется ген

    Однако, ген – это не просто участок ДНК, а единица наследственной информации, носителем которой являются нуклеиновые кислоты. Установлено, что ген имеет сложную структуру. Когда исследователи начали изучать гены различных белков в клетках эукариот, обнаружилось, что взаимодействие генов и белков в этих организмах более сложное, чем взаимодействие генов и белков прокариот. Первые примеры такого взаимодействия были получены в 1977 году в лабораториях Филиппа Шарпа и Пьера Шамбона. Вместе со своими коллегами они гибридизировали мРНК различных генов с теми ДНК, с которых были сняты эти информационные копии. У бактерий последовательность мРНК идентична последовательности кодирующей цепи ДНК (за исключением того, что место тимина занимает урацил), поэтому структура гибридных молекул была достаточно проста. Но когда под электронным микроскопом были сделаны снимки гибридных молекул генов эукариот, то в них обнаружился ряд петель. Это значит, что мРНК и ДНК имеют не совсем идентичную последовательность, и петли были как раз теми местами, в которых они не могли соединяться. Когда последовательность мРНК сравнили с последовательностью ДНК, стало понятно, что кодирующая последовательность генов в некоторых местах прерывается некодирующей последовательностью, то есть некоторые нуклеотиды не кодируют синтез белка. Впоследствии выяснилось, что это типичная картина для ДНК эукариот. Кодирующая последовательность гена называется экзоном, а некодирующая последовательность — интроном. Некоторые гены имеют в своей структуре несколько интронов. Часто обнаруживают и такие гены, в которых больше интронов, чем экзонов.

    В общем случае при транскрипции генов  эукариот образуются большие молекулы РНК, содержащие как экзоны, так и  интроны. После этого особые комплексы  ферментов (сплайсингсомы) вырезают из транскрипта все интроны и соединяют экзоны в одну мРНК, кодирующую производство белка. Далее эта РНК транслируется как обычно.

    Причины, по которым природа придерживается такой структуры, до сих пор не ясны, но ее можно объяснить как  с эволюционной точки зрения, так и с точки зрения развития организма. Если говорить об эволюции, то такая структура ценна тем, что позволяет экспериментировать с генами и создавать новые гены. Кроссинговер может происходить внутри интронов, и в таком случае ошибки будут несущественными, а при рекомбинации могут образоваться новые экзоны и как следствие новые белки. Часто бывает так, что отдельный экзон кодирует отдельную область, или домен, белка, то есть отдельную часть белка с особыми функциями. Поэтому включение в ген нового экзона приведет к созданию белка с новыми областями и, возможно, с новыми функциями. Такое изменение генетической структуры может служить источником эволюции.

    С точки зрения развития организма  структура интрон-экзон ценна  тем, что позволяет одной нуклеотидной последовательности кодировать синтез более одного белка. Сейчас известны случаи, когда интроны в разных тканях режутся по-разному, и в результате синтезируются разные белки с разными функциями. Поэтому такая структура предоставляет возможность осуществить рост новых типов клеток с минимальным изменением информации.

    Хромосомы эукариот содержат не только избыточную ДНК в виде интронов, но и повторяющуюся  ДНК, которая не кодирует белки или  стабильные молекулы РНК. Например, около 10% ДНК мыши приходится на ДНК с  высоким содержанием повторяющихся элементов, то есть эти участки содержат короткие последовательности, длиной не более 10 нуклеотидных пар, повторяющихся миллионы раз. Еще 20% приходится на ДНК с умеренным содержанием повторяющихся элементов, то есть эти участки содержат последовательности из нескольких сотен нуклеотидов, повторяющиеся тысячи раз. Таким образом, очень большая часть хромосом эукариот состоит из ДНК, которая может подвергаться мутациям и рекомбинациям без выраженного эффекта.

    Некоторые участки ДНК могут перемещаться относительно друг друга – их называют мобильными генетическими элементами (МГЭ). Многие гены представлены несколькими копиями – тогда один и тот же белок кодируется разными участками ДНК. Еще сложнее закодирована генетическая информация у вирусов. У многих из них обнаружены перекрывающиеся гены: один и тот же участок ДНК может транскрибироваться с разных стартовых точек.

    Процесс экспрессии генов обладает гибкостью: одному участку ДНК может соответствовать  несколько полипептидов; один полипептид может кодироваться разными участками ДНК. Окончательная модификация белков происходит с помощью ферментов, которые кодируются различными участками ДНК. 

    Общие свойства генетического  кода 

    Отражение структуры белков в виде триплетов  ДНК называется кодом ДНК, или генетическим кодом. Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями нуклеиновых кислот и аминокислотами, входящими в состав белков. Генетический код обладает следующими основными свойствами:

    1. Генетический код триплетен: каждая  аминокислота кодируется триплетом  нуклеотидов  ДНК и соответствующим  триплетом иРНК. При этом кодоны  ничем не отделены друг от  друга (отсутствуют «запятые»).

    2. Генетический код является избыточным (вырожденным): почти все аминокислоты могут кодироваться разными кодонами. Только двум аминокислотам соответствует по одному кодону: метионину (АУГ) и триптофану (УГГ). Зато лейцину, серину и аргинину соответствует по 6 разных кодонов.

    3. Генетический код является неперекрывающимся:  каждая пара нуклеотидов принадлежит только одному кодону (исключения обнаружены у вирусов).

    4. Генетический код един для  подавляющего большинства биологических  систем. Однако имеются и исключения, например, у инфузорий и в митохондриях разных организмов. Поэтому генетический код называют квазиуниверсальным.

    5. Компактность, или отсутствие внутригенных  знаков препинания. Внутри гена  каждый нуклеотид входит в  состав значащего кодона. В 1961г.  Сеймур Бензер и Френсис Крик  экспериментально доказали триплетность кода и его компактность. Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида. Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген. Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген. Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть. Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген. Эксперимент доказывает, что код триплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, наличие знаков препинания между генами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2.Основные этапы биосинтеза белков 

    Биосинтез белков в клетках представляет собой  последовательность реакций матричного типа, в ходе которых последовательная передача наследственной информации с одного типа молекул на другой приводит к образованию полипептидов с генетически обусловленной структурой.

    Биосинтез белков представляет собой начальный  этап реализации, или экспрессии генетической информации. К главным матричным процессам, обеспечивающим биосинтез белков, относятся транскрипция ДНК и трансляция мРНК. Транскрипция ДНК заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК (матричную, или информационную РНК). Трансляция мРНК заключается в переносе информации с мРНК на полипептид.

    Генетическая информация о структуре белка хранится в виде последовательности триплетов ДНК. При этом лишь одна из цепей ДНК служит матрицей для транскрипции (такая цепь называется транскрибируемой). Вторая цепь является комплементарной по отношению к транскрибируемой и не участвует в синтезе мРНК.