3.2. Строение функционирующего гена эукариот

В общих чертах строение гена про- и эукариот в принципе одинаково. Ген эукариот так же, как и у прокариот, функционирует только совместно с регуля-

12

5’ А Т А Т Г Ц А Т Г Ц 3’ Смысловая нить

А ДНК

3’ Т А Т А Ц Г Т А Ц Г 5’ Антисмысло-

вая нить ДНК, с

которой синтези-

руется иРНК

Б РНК 5’ А У А У Г Ц А У Г Ц 3’ иРНК, синтезирован-

ная с антисмысло-

вой нити ДНК

В ДНК 5’ А Т А Т Г Ц А Т Г Ц 3’ Так на рисунках обо-

значается отрезок

ДНК. Последователь-

ность нуклеотидов

в ней аналогична по-

следоватнельности

их в иРНК

Рис. 6. Схема транскрипции и правила обозначения направленности ДНК. А– отрезок молекулы ДНК, Б – синтезированная иРНК на атисмысловой нити, В– цепь ДНК на рисунке обозначена так же, как и смысловая цепь ДНК

торными зонами. Но такой тандем у эукариот не называется опероном. Ген эукариот представляет собой в основном кодирующую часть ДНК, а регуляторные

зоны – не кодирующую ДНК. Так же как и у прокариот, рассмотрим не только строение самого гена – кодирующей его части, но и обслуживающие его элементы – регуляторные зоны.

1. Ген (кодирующая часть) состоит из:

а. Экзонов.

б. Интронов.

2. Регуляторные участки гена содержат:

а. Стартовый кодон – сайт (место) начала транскрипции.

б. Терминатор – сайт окончания транскрипции.

в. Лидерную последовательность.

г. Трейлерную последовательность.

д. Промотор.

е. Контролирующие зоны, располагающиеся вблизи от обслуживаемого гена.

ж. Модуляторы (энхансеры, сайленсеры) – располагаются вдали от гена.

Некоторые исследователи объединяют контролирующую зону и модуляторы в одну область – регуляторную область.

13

Кодирующая часть гена эукариот имеет несколько существенных отличий

от аналогичной области прокариот (рис. 7). Отметим два из них.

1. Как правило, кодирующая область представлена не несколькими генами, а одним. Каждый ген у эукариот имеет свою регуляторную область.

2. Если в генах прокариот не кодирующие участки практически отсутствуют, то ген эукариот имеет мозаичное строение – в нём чередуются участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке и не несущие её. Участки, несущие информацию, носят название экзоны, не несущие называются интронами.

Мозаичное строение чаше всего встречается в генах, кодирующих белки (с этих генов транскрибируется иРНК) и тРНК. Интересно, что сходные гены у разных организмов одного вида часто имеют одинаковое число интронов в одних и тех же позициях. Обычно длина интронов превышает длину экзонов.

Кодирующая часть гена представляет единицу транскрипции.

5’ э и э и э и э 3’

ТП

ЛП

Терминатор

Сайт начала транскрипции

Рис. 7. Схема кодирующей области гена эукариот (э – экзоны, и – интроны, ЛП-лидерная последовательность, ТП – трейлерная последовательность)

Рядом располагающиеся контролирующие зоны

Лидерная последовательность

Промотор Кодирующая область

Модуляторы Сайт инициации

Контролирующие области

Рис. 8. Схема возможного расположения кодирующей части гена и промотора

Что касается регуляции, то необходимо пояснить, что существуют два термина – регуляторные области (зоны, участки и т.д.) и регуляторные гены (гены-регуляторы).

14

Регуляторные области – это участки ДНК, на которых осаждаются белки-регуляторы. Их функция – регуляция транскрипции. Для простоты эти зоны подразделяют на два типа. Мы их отметили выше, но всё же повторим.

а. Зоны, располагающиеся близко от гена, который они контролируют – контролирующие зоны.

б. Зоны, располагающиеся далеко от контролируемого гена – модуляторы (рис.8).

Гены-регуляторы – это обычные структурные гены, кодирующие иРНК, несущую информацию о строении какого-либо белка-регулятора. Некоторые из этих генов транскрибируют специальные регуляторные РНК.

Рассмотрим строение регуляторных областей. Их несколько. На 5’- конце гена располагается сайт начала транскрипции. На 3’-конце располагается сайт окончания транскрипции (терминатор). Перед сайтом начала транскрипции так же, как и у прокариот, располагается лидерная последовательность, а перед сайтом окончания транскрипции находится трейлерная последовательность. Функциональное значение этих участков аналогично таким же участкам у прокариот (см. выше). Если у прокариот транскрипцию всех генов осуществляет один фермент РНК-полимераза, то у эукариот существует три типа РНК- полимераз, которые обеспечивают транскрипцию разных эукариотических генов (генов, кодирующих иРНК, тРНК и рРНК). У большинства генов эукариот, как и у прокариот, эти ферменты связываются с участком, расположенным на 5’-конце ДНК перед сайтом инициации. Этот участок носит название промотор. Однако в отличие от прокариот, у эукариот одна РНК-полимераза соединиться с промотором не способна. Прежде чем связаться с промотором РНК-полимераза эукариот соединяется с многочисленными белками (их около 50), которые способствуют её прикреплению к промотору. Эти белки называются факторами транскрипции, а образовавшийся комплекс РНК-полимеразы с факторами транскрип- ции именуется комплексом транскрипции (или транскрипционным комплексом). Факторы транскрипции (их так же можно назвать регуляторными белками) активируют РНК-полимеразу и кодируются регуляторными генами. Образование комплекса транскрипции и его активность, в свою очередь, контролируют ещё два типа белков-регуляторов. Первый тип белков осаждается на регуляторные (зоны) последовательности ДНК, которые располагаются, как правило, рядом с промотором. Эти белки ускоряют или тормозят образование транскрипционного комплекса. Регуляторные последовательности имеют различные названия. Чаще всего их объединяют термином – контролирующие зоны или цис-регуляторные элементы. К этой зоне относится лидерная последовательность, промотор и регуляторные зоны, располагающиеся рядом с промотором – рядом расположенные области (рис. 9). К контролирующим зонам присоединяются различные регуляторные белки, которые влияют на начальное связывание РНК-полимеразы с промотором. Эти белки носят специальное название – факторы транскрипции.

Второй тип регуляторных последовательностей усиливает или тормозит движение транскрипционного комплекса по гену. У эукариот эти участки часто

15

расположены далеко от контролируемого ими гена: впереди от 5’-конца кодирующей области, в самой кодирующей области или позади неё. В некоторых случаях их выявляют на других хромосомах (рис.9. А,Б,В,Г). Как правило, на этих областях, так же как и на контролирующих зонах, осаждаются регуляторные белки, усиливающие или замедляющие транскрипцию. Эти регуляторные последовательности настолько разнообразны по строению, положению и функциям, что для большинства из них пока не найдено название. В последнее время некоторые учёные называют их модуляторами или транс-регуляторными элементами (респонсивные элементы) (рис. 8). К модуляторам относятся энхансеры (усиливают транскрипцию с некоторых эукариотических промоторов) и сайленсеры (обладают противоположным действием по отношению к энхансерам), оказывающие дистанционное влияние на инициацию транскрипции независимо от своей ориентации относительно кодирующей области. Предполагается, что их регулирующий эффект связан со сближением модуляторов с транскрипционным комплексом в результате изгиба молекулы ДНК (рис. 10.).

Р Кодирующая область

А

Р К

Б

К Р К.

В

К Р

Г

Р К

Д

Рис. 9. Схема возможного расположения кодирующих (К) и регуляторных (Р) областей в генах эукариот. А – регуляторная зона располагается впереди кодирующей области, Б- между регуляторной и кодирующей областью располагаются нуклеотидные последовательности, не связанные с деятельностью гена, В – регуляторные области располагаются внутри кодирующей, Г – регуляторные области располагаются за кодирующей областью, Д – регуляторные и кодирующие области располагаются на разных хромосомах

Резюме. Ген это – совокупность сегментов ДНК, контролирующих образование либо молекулы РНК, либо белкового продукта. Гены бывают структурными и регуляторными. К структурным генам относятся гены, кодирующие иРНК, рРНК и тРНК. К регуляторным относятся гены, участвующие в регуляции экспрессии генов. Оперон прокариот состоит из структурных генов (одного или нескольких) и регуляторной области. Последняя, в свою очередь, состоит из активатора, промотора, оператора и терминатора. Активатор активирует присоединение РНК-полимеразы к промотору, на оператор осаждается белок-регулятор, блокируя движение РНК-полимеразы через оператор.

16

Факторы транскрипции

РНК-полимераза

ДНК, промотор

Белки-регуляторы

Промотор

Контролирующая зона

Энхансер

Сайленсер

Белки-регуляторы

Рис. 10. Распределение регулирующих зон относительно друг друга:

1.Белки, соединяющиеся с РНК-полимеразой.

2.Белки, соединяющиеся с ДНК контролирующей зоны.

3.Белки, соединяющиеся с ДНК модуляторов

Терминатор – область, где заканчивается транскрипция РНК. Состоит из бессмысленных кодонов. В отличие от прокариот каждый ген эукариот имеет отдельную регуляторную область. Кодирующая область эукариот состоит из экзонов (информативные участки) и интронов (неинформатив-

17

ные участки). Регуляторная область у эукариот устроена значительно сложнее. Есть область (промотор), где осаждается сложный транскрипционный комплекс, куда входит РНК-полимераза. Формирование этого комплекса контролируется специальными участками, расположенными вблизи гена – контролирующие области. Другие регуляторные зоны могут находиться рядом с геном или вдали от него и называются модуляторами. Они регулируют движение РНК-полимеразы по гену.

ГЕНОМ