Будова гена прокаріотів та еукаріотів

Ген є елементарною структурно-функціональною одиницею спадковості, що визначає розвиток певного білка клітини або ор­ганізму. Унаслідок передачі генів у ряді поколінь забезпечується спадкоємність ознак батьків.

Г. Мендель був першим, хто в 1865 р. стверджував про одини­цю спадковості; він назвав її "спадковим фактором". Слово "ген" ввів В. Иогансен у 1909 р. для позначення одиниці спадковості, що займає особливе місце (локус) у хромосомі. У 1948 р. Дж. Бідл і Е. Тайтум запропонували гіпотезу "один ген — один білок" і розглядали ген як одиницю спадкового матеріалу, що містить інформацію для утворення одного білка. Відповідно до сучасної концепції, гени — це ділянки ДНК, що мають унікальну послі­довність нуклеотидів, які кодують певні ІРНК, тРНК або рРНК. За допомогою трьох різновидів РНК відбувається синтез білків, які здійснюють метаболізм і зумовлюють розвиток ознак. Ген — це мінімальна кількість спадкового матеріалу, необхідного для синтезу певної РНК. Мінімальні за розміром гени складаються з кількох десятків нуклеотидів, наприклад гени тРНК. Гени ве­ликих макромолекул рРНК та ІРНК містять кілька сот і навіть тисяч нуклеотидів. Наявність генів виявляється за наявності пев­них білків клітини або ознак організму.

Організація генів еукаріотів у хромосомах. Кожна інтерфаз-на хромосома має одну молекулу ДНК, що містить велику кіль­кість генів. Геном людини містить 3,5 х Ю⁹ нуклеотидних пар, яких достатньо для утворення 1,5 млн генів. Однак досліджен­ня показують, що в організмі людини 35 000—40 000 генів. Це означає, що в організмі використовується тільки близько 1 % нуклеотидних послідовностей ДНК, тільки 1 % записаної інфор­мації. Значна частина геному використовується для здійснення процесів ембріонального розвитку, диференціювання, росту. Інша частина надлишкової ДНК входить до складу інтронів. І ще більша частина ДНК подана численними повторами послі­довностей, що не мають змісту (сателітна ДНК). Таким чином,

ДНК еукаріотів можна розподілити на два типи послідовностей нуклеотидів: неповторювані (унікальні) та повторювані. До пер­шого типу належать гени, що кодують білки. Повторювані по­слідовності трапляються з частотою від 2 до 10⁷ на одну клітину. У ссавців більше половини геномної ДНК належить до типу уні­кальних послідовностей.

За способами організації нуклеотидів у ДНК її можна розподі­лити на такі фрагменти: 1) структурні гени; 2) регуляторні гени; 3) сателітна ДНК; 4) спейсерна ДНК; 5) кластери генів; 6) повто­рювані гени.

Залежно від структури та функцій нуклеотидні послідовності можуть бути кількох типів.

Структурні гени несуть інформацію про структуру певних по­ліпептидів. Із цих ділянок ДНК транскрибується іРНК, яка спря­мовує синтез білків.

Регуляторні гени контролюють і регулюють процес біосинте­зу білка. Сателітна ДНК містить велику кількість повторюваних груп нуклеотидів, що не мають змісту і не транскрибуються. По­одинокі гени серед сателітної ДНК, звичайно, справляють регуля­торну або посилювальну дію на структурні гени. Кластери генів — це групи різних структурних генів у певній ділянці хромосоми, об'єднані загальними функціями. Наприклад, кластери п'ятьох різних гістонів повторюються 10—20 разів. Між такими класте­рами знаходяться великі спейсерні ділянки, що не транскрибу­ються, їхня роль до кінця не з'ясована.

Повторювані гени — один і той самий ген багаторазово повто­рюється (декілька сотень разів); не відокремлюючись один від од­ного, вони створюють тандеми. Наприклад, гени рРНК.

Молекулярна організація генів еукаріотів. Встановлення структури генів еукаріотів є одним із головних відкриттів кінця XX ст. Доведено, що структурний ген, який кодує білок, має дуже складну будову. Розглянемо принцип його організації на при­кладі гена Р-ланцюга гемоглобіну. На початку гена розташовані ділянки регуляції гена. Спочатку міститься ділянка промотора, відповідальна за приєднання РНК-полімерази та наступної іні­ціації транскрипції. Неспецифічні ділянки регуляції називають ТАТА-БОКС, що складається з тиміну й аденіну, які багаторазово повторюються. її активний центр розташований над першим ну-клеотидом, що зчитується. Ця ділянка складається із сайта роз­пізнавання, сайта зв'язування і сайта ініціації.

Комбінація нуклеотидів у промоторі специфічна і в разі пору­шення рамки зчитування утворює стоп-кодони, що призводить до припинення транскрипції. У ділянці промотора розміщений опе­ратор, який може приєднувати фактори регуляції транскрипції. Далі розташована КЕП-послідовність ТТТЦТТАЦ, на якій ініці­юється транскрипція й утворюється 5'-початкова ділянка РНК (сайт ініціації транскрипції). Згодом кодон ТАЦ (сайт ініціації трансляції) з'являється в утвореній іРНК. Між сайтом транскрип­ції і сайтом трансляції лежить проміжна ділянка ДНК, що скла­дається з 50 пар основ; вона називається лідерною послідовністю. Далі з'являється частина структурного гена, що складається з ек-зонів та інтронів. Спочатку розташований екзон, що містить 90 пар основ, які кодують з 1-ї по 30-у амінокислоти Р-ланцюга гемо­глобіну. Потім — інтрон, що складається зі 130 пар основ, він не кодує амінокислот. За ним міститься екзон, що складається із 222 пар основ, що кодують амінокислоти з 31-ї по 104-у. Далі розташо­ваний інтрон, що складається з 850 пар основ, за ним — екзон, що містить 126 пар основ, які кодують амінокислоти 105—146; після цього — кодон термінації трансляції ТАА. Потім — трейлер і сайт поліаденілування ААТААА, який необхідний для приєднання до РНК-транскрипту "хвоста" полі-А, який складається приблизно з 200—300 аденілових залишків. Ця ділянка ДНК необхідна для припинення транскрипції.

Послідовність термінатора транскрипції починається відразу за ділянкою полі-А і складається приблизно зі 1000 нуклеотидів. Ця послідовність разом із полі-А зупиняє процес транскрипції. У межах послідовності транскрибуючого 3 -кінця ДНК на відстані 600—900 нуклеотидів від сайта полі-А розташована ділянка по­слідовностей енхансера. Ця ділянка має регуляторну активність. Вона необхідна для тимчасової і просторової організації експресії гена Р-ланцюга гемоглобіну.