Информационной единицей клеточного генома является ген.

ГЕН представляет собой участок ДНК, ответственный за хранение и реализацию генетической информации об одной полипептидной цепи белка или об одной молекуле “структурной” РНК. Общее количество генов в геноме человека оценивается величиной порядка 50 000–100 000.

В то же время количество пар нуклеотидов, имеющихся в хромосомном наборе клеток человека, достаточно для формирования примерно 1,5 млн генов. Это означает, что большая часть нашей ДНК не несет генетической информации и, по-видимому, выполняет какую-то иную роль.

Всю ДНК эукариотического генома можно разделить на два класса последовательностей:

1. Во-первых, это уникальные или неповторяющиеся последовательности, они представлены одной или двумя копиями на диплоидный хромосомный набор. Именно они включают в себя основную массу генов. На долю этих уникальных последовательностей приходится до 70% всей клеточной ДНК.

2. Во-вторых, это повторяющиеся последовательности ДНК. Их принято делить на высокоповторяющиеся и умеренноповторяющиеся последовательности

• Высокоповторяющиеся последовательности состоят из участков ДНК длиной в 5–500 пар нуклеотидов, повторенных от 1 до 10 миллионов раз; они не несут генетической информации и транскрипционно неактивны. Вероятнее всего, они участвуют в структурной организации хроматина. Такие высокоповторяющиеся последовательности образуют, например, теломеры и центромеру хромосомы; на этот тип последовательностей приходится примерно 15% общей длины ДНК хромосом.

• Умеренно повторяющиеся последовательности присутствуют в количестве менее чем 1 млн копий на геном, они могут иметь различную длину — от нескольких пар нуклеотидов до нескольких тысяч пар. Часть этих умеренно повторяющихся последовательностей представляют собой тандемы генов, например генов гистонов или генов некоторых классов “структурных” РНК. Естественно, эти умеренно повторяющиеся последовательности активно транскрибируются. Вместе с тем, часть умеренно повторяющихся последовательностей выполняют структурную функцию, например, входят в состав участков ДНК, разделяющих отдельные гены, т.е. на так называемые спейсеры. На долю умеренно повторяющихся последовательностей ДНК приходится 10-20% хромосомной ДНК.

Информационная структура гена

Каждый ген эукариотической клетки состоит из двух частей — из кодирующей области и регуляторной области.

В кодирующей области гена заложена информация о полипептидной цепи белка или о полинуклеотидной цепи “структурной” РНК. В регуляторной области гена расположены участки ДНК, отвечающие за эффективность использования информации, имеющейся в его кодирующей зоне.

Регуляторная зона гена отделена от кодирующей зоны так называемой стартовой точкой, которая представляет собой дезоксирибонуклеотидный остаток, с которого начинается считывание информации при синтезе молекул РНК на том или ином структурном гене.

Участок регуляторной зоны гена, непосредственно прилегающей к стартовой точке, называется промотором. Именно к нему присоединяется фермент РНК-полимераза, синтезирующий на данном гене молекулу РНК. В состав промотора входит около сотни пар нуклеотидов, причем наибольшее значение имеют два участка промотора. Один из них расположен на расстоянии 25-30 пар нуклеотидов от стартовой точки и представлен последовательностью ТАТА, он так и называется — ТАТА-бокс. ТАТА-бокс направляет РНК-полимеразу к стартовой точке кодирующей зоны гена и, следовательно, определяет точность начала синтеза РНК. Удаление из промотора ТАТА-бокса приводит к тому, что РНК-полимераза начинает синтез РНК не со стартовой точки кодирующей области, а с какого-либо нуклеотидного остатка поблизости от нее, в результате синтезируется функционально неактивная молекула РНК.

В промоторах многих генов имеется второй участок — так называемый СААТ-бокс, расположенный на расстоянии 60–100 пар нуклеотидов от стартовой точки. СААТ-бокс контролирует частоту, с которой РНК-полимераза присоединяется к промотору данного гена и синтезирует на нем молекулы РНК. Если удалить СААТ-бокс, частота связывания РНК-полимеразы с промотором этого гена падает на 80-90% и соответственно уменьшается количество синтезированной на этом гене РНК.

В промоторах многих генов имеются и другие блоки нуклеотидов, играющие определенную роль в эффективности процесса считывания информации с кодирующей зоны гена.

В регуляции работы гена принимают участие последовательности ДНК, расположенные иногда на расстоянии сотен и даже тысяч пар нуклеотидов от соответствующего гена. Эти регуляторные элементы в зависимости от оказываемого ими эффекта называются “энхансерами” (ускорителями транскрипции) или “сайленсерами” (замедлителями транскрипции).

Известен еще один тип регуляторных элементов, это — участки ДНК, обеспечивающие адаптивную регуляцию транскрипции, т.е. изменение эффективности транскрипции генов в ответ на появление в клетке некоторых гормонов (например, стероидов или тироксина) или на поступление в клетку ионов тяжелых металлов (Cd²⁺, Zn²⁺), а также некоторых ядов (диоксин). Так, принято считать, что регуляторный элемент, чувствительный к действию кортизола, функционирует как энхансер.

Все регуляторные элементы контролируют функционирование генов, взаимодействуя со специфическими белками. Таким образом, экспрессия любого гена оказывается под контролем сразу нескольких белков, чем достигается оптимальный для клеток уровень функционирования того или иного гена.

Характерной чертой генов эукариот является дискретный характер его кодирующей зоны, в которой участки, несущие генетическую информацию, разделены последовательностями, не несущими этой информации. Последовательности, несущие генетическую информацию, называются экзонами, а последовательности, не содержащие таковой, — интронами.

Количество экзонов и интронов в различных генах колеблется в широких пределах. Так, в гене инсулина содержится 2 интрона, в гене сывороточного альбумина — 14 интронов, а в гене тиреоглобулина — 36 интронов. В целом на интроны приходится большая часть последовательностей кодирующей области того или иного гена.

Функция интронов до настоящего времени точно не установлена. Существует лишь несколько более или менее вероятных предположений об их биологической роли:

• Согласно одному из них интроны служат для физического разделения экзонов. Отдельные экзоны могут вычленяться из гена за счет расщепления интронов и далее встраиваться в кодирующую зону другого гена, следствием чего будет появление в клетке нового белка, содержащего по сравнению с предшествующим дополнительный домен, способный придавать ему новые функциональные возможности. За счет действия подобного механизма могли бы ускоряться темпы эволюции живых систем.

• Согласно другой точке зрения интроны выполняют роль своего рода защитного буфера для нашей генетической системы: если интронные последовательности составляют преобладающую часть генома клеток, то именно они будут чаще всего принимать на себя воздействие различных физических и химических агентов, вызывающих те или иные структурные изменения в дезокрибонуклеотидных остатках ДНК, и эти изменения не будут сказываться на структуре кодируемых генами молекул белков или РНК.

Следует отметить, что в кодирующей зоне генов, ответственных за синтез белков, имеется два специфических регуляторных элемента. Вначале первого экзона сразу же за стартовой точкой имеется так называемый сайт (участок) кэпирования, являющийся необходимым элементом для последующего процессинга синтезируемой на гене молекулы РНК. В районе последнего экзона имеется последовательность, обеспечивающая своевременное окончание синтеза РНК на данном гене. В последнем экзоне на расстоянии примерно 15 пар нуклеотидов от его конца имеется последовательность ААТААА, эта последовательность играет определенную роль в последующем формировании 3-конца синтезируемой молекулы РНК.

Структура РНК

Классы РНК

В клетках эукариот присутствует несколько классов РНК, играющих ту или иную роль в процессах реализации генетической информации:

1. Информационная или матричная РНК (мРНК). Этот класс молекул РНК участвует в переносе генетической информации из ядра в цитозоль на рибосомы и принимает непосредственное участие в работе механизма синтеза полипептидных цепей белка на рибосомах.

2. Рибосомальные РНК (рРНК); их роль состоит в структурной организации рибосом — внутриклеточных органелл, ответственных за сборку полипептидных цепей белков. Кроме того, рРНК, по-видимому принимают непосредственное участие в работе самого механизма биосинтеза белка.

3. Транспортные РНК (тРНК). Они обеспечивает связывание аминокислот в цитозоле, перенос аминокислот на рибосомы, а также принимают непосредственное участие в синтезе полипептидных цепей белков на рибосомах.

4. Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК). Молекулы этого класса РНК представляют собой так называемые первичные транскрипты с тех или иных структурных генов ДНК и являются высокомолекулярными предшественниками молекул РНК различных других классов.

5. Небольшие стабильные РНК. Они присутствуют в большом количестве и в цитозоле, и в ядре клеток эукариот. Среди них обычно выделяют так называемые малые ядерные РНК (мяРНК), последние принимают участие в регуляции работы генетического аппарата клеток, а также в преобразовании (процессинге) гетерогенных ядерных РНК в мРНК, тРНК и рРНК.

Первичная, вторичная и третичная структура РНК

Молекулы РНК представляют собой полимеры, мономерными единицами которых являются рибонуклеотиды, связанные между собой 3',5'-фосфодиэфирными связями. Углеводным компонентом рибонуклеотидов является рибоза, а основная масса азотистых оснований РНК представлены аденином, гуанином, цитозином и урацилом. Главными нуклеотидами РНК являются АМФ, ГМФ, ЦМФ и УМФ.

В состав молекул отдельных классов РНК может входить до 15–17% минорных нуклеотидов.

Первичная структура РНК - последовательность расположения рибонуклеотидных остатков в полимерной цепи молекулы.

Химическая структура молекулы РНК идентична таковой для одиночной цепи ДНК с учетом замены дезоксирибозы и тимина ДНК на рибозу и урацил в РНК.

Молекулы РНК представляют собой одиночные полинуклеотидные цепи, не имеющие на всем своем протяжении регулярной пространственной упаковки. На отдельных участках молекулы РНК имеются элементы вторичной структуры, получившие название “шпилек”. Они формируются за счет образования петель, которые далее перекручиваются с образованием спирализованных структур:

Стабилизируются эти структуры водородными связями между азотистыми основаниями нуклеотидных остатков антипараллельных участков цепи РНК и стэкинг-взаимодействием.

Эти элементы вторичной структуры РНК жесткие и при дальнейшей пространственной упаковке молекулы, т.е. при формировании её третичной структуры, не перегибаются.

Третичная структура РНК — это определенный способ укладки полинуклеотидной цепи РНК в определенном объеме пространства. За счет пластичности участков цепи, не принимающих участия в формировании “шпилек”, молекулы РНК тем или иным образом компактизуются, формируя объемные структуры, присущие тому или иному классу РНК. Стабилизация таких структур осуществляется за счет электростатического и гидрофобного взаимодействий между элементами цепи РНК и взаимодействием этих молекул с белками.