Глава 3

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ У ПРО- И ЭУКАРИОТ

3.1 Общее понятие генетического материала и его свойства

Роль ДНК в передаче наследственной информации была доказана с откры-

тием явлений трансформации, трансдукции и конъюгации у микроорганизмов.

Конъюгация — процесс, при котором осуществляется перенос гене-

тической информации.

Трансформация — это способность одного штамма бактерий встраи-

вать участки молекулы ДНК другого штамма и приобретать при этом

свойства последнего (опыты Ф. Гриффита с вирулентными и невирулент-

ными штаммами пневмококков).

Трансдукция — это способность бактериофагов переносить фрагмен-

ты ДНК от одного штамма бактерий к другому и передавать соответст-

вующие свойства.

23

Генетический материал — компоненты клетки, структурно-функциональ-

ное единство которых обеспечивает хранение, реализацию и передачу на-

следственной информации при вегетативном и половом размножении. Гене-

тический материал обладает универсальными свойствами живого: дискрет-

ностью, непрерывностью, линейностью, относительной стабильностью.

Основными свойствами генетического материала являются:

1) хранение и передача информации геном;

2) способность гена к изменению генетической информации (мутации);

3) способность гена к репарации (процесс восстановления природной

структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ДНК в клетке

химическими или физическими агентами);

4) способность гена к реализации — синтезу полипептида, кодируемого

геном при участии 2-х матричных процессов: транскрипции и трансляции;

5) устойчивость генетического материала, которая обеспечивается:

— диплоидным набором хромосом;

— двойной спиралью ДНК;

— вырожденностью генетического кода;

— повтором некоторых генов;

— репарацией нарушенной структуры ДНК.

3.2 Строение гена у про- и эукариот

Первоначально предполагалось, что ген является неделимой, целостной

единицей. В целом ген подвергается мутациям, рекомбинациям и выполняет ос-

новную функцию — кодирование белка. Однако оказалось, что ген дискретен.

Наиболее четко дискретность гена была изучена американским гене-

тиком С. Бензером на примере исследований тонкой структуры генов фага

Т4 кишечной палочки. Им было показано, что ген может быть разделен

кроссинговером на множество частей. Дискретная организация генов была

установлена и у эукариот.

В конце 50-х гг. С. Бензер предполагал, что ген одновременно являет-

ся целостной и дискретной единицей. При выполнении основной функции —

программировании синтеза белка — ген выступает как целостная единица,

изменение которой вызывает изменение структуры белковой молекулы. Эту

единицу С. Бензер назвал цистроном. По величине он примерно равен гену.

Дискретность гена заключается в наличии субъединиц. Элементарная

единица изменчивости, единица мутации названа мутоном, а единица ре-

комбинации — реконом. Минимальные размеры мутона и рекона равны

1 паре нуклеотидов и называются сайт. Таким образом, сайт — это

структурная единица гена. Кодон — функциональная единица гена (еди-

ница генетического кода, 3 нуклеотидных остатка (триплет) в ДНК или

РНК, обычно кодирующих включение одной аминокислоты в полипептид).

24

Размеры генов различны. Средний размер гена у человека составляет

около 27 тыс. пар нуклеотидов. Самые короткие гены содержат всего 2 де-

сятка нуклеотидов, например, гены эндорфинов — белков, вызывающих

ощущение удовольствия. Гены интерферонов — белков, защищающих че-

ловека от вирусных инфекций, имеют размер около 700 пар нуклеотидов.

Самый длинный ген, кодирующий один из белков мышц — миодистрофин,

содержит 2,5 млн пар нуклеотидов.

Вплоть до конца 70-х гг. полагали, что гены существуют в виде цело-

го отрезка ДНК. Однако в 1977 г. было показано, что у аденовируса неко-

торые гены существуют не в виде целого отрезка ДНК, а в виде фрагмен-

тов, распределенных вдоль генома.

Последовательность нуклеотидов, составляющая мозаичный ген, вна-

чале переписывается в молекулу про-и-РНК, которая является своего рода

предшественником и-РНК.

Участки, несущие информацию, названы экзонами, а не содержащие

ее — интронами. Например, ген цепи β-глобулина человека включает в се-

бя 3 экзона и 2 интрона: ген постоянного участка тяжелой цепи иммуног-

лобулинов мыши содержит 4 экзона и 4 интрона.

Затем про-и-РНК подвергается процессингу и сплайсингу. После это-

го получается и-РНК, готовая для последующей транскрипции. Окончатель-

ного объяснения факта существования интронов пока не найдено. Допуска-

ется, что в момент образования и-РНК из про-и-РНК может иметь место раз-

личное соединение экзонов друг с другом, что приведет к синтезу различных

белков. Возможно, интроны служат материалом для образования новых ге-

нов в процессе эволюции. Показано, что мутации интронов могут нарушать

процесс сплайсинга, останавливать синтез белка и изменять его структуру.