Кластерная организация генов в хромосомах эукариот

У эукариот нет оперонов. Гены, контролирующие даже последовательные биохимические реакции, могут быть расположены в разных районах хромосомы и даже в разных хромосомах. Например, у дрозофилы многие гены, кодирующие ферменты, под контролем которых происходит превращение триптофана в бурый глазной пигмент, разбросаны во множестве участков генома.

Вместе с тем известны примеры кластерной организациигенов. У человека существует несколько типов гемоглобинов. Каждый из них синтезируется на определенной стадии развития. Например, гемоглобины ξи ε вырабатываются в клетках эмбрионального желточного мешка. В это время молекула белка состоит из двух цепей α-подобного ξ-гемоглобина и двух цепей ε (β-подобный).

К концу третьего месяца развития синтез гемоглобина этого типа заканчивается и начинается синтез фетального (утробного) гемоглобина в клетках печени и селезенки. Фетальный гемоглобин состоит из двух α-полипептидов и двух γ(β-подобных): двух γА или двух γG.

Во время постэмбрионального развитиягемоглобин синтезируется в клетках костного мозга и состоит из α- и β-полипептидов и некоторого количества β-подобного δ-полипептида. Большая часть гемоглобина в крови взрослого человека представляет собой тетрамер α2β2 (Нb-А).

В геноме человека гены гемоглобина расположены двумя кластерами: все α-подобныегены собраны в хромосоме 16, в то время как все β-подобныегены — в хромосоме 11. В каждом кластере есть псевдогены.

Интересно, что данные гены вдоль по хромосоме расположены в том порядке, в каком они включаются в работу в ходе онтогенеза, но функционально (по типу оперона) они никак не связаны.

Организация генов 18Sи 28S рРНК у всех эукариот в общих чертах одинаковая. Гены 18Sи 28S рРНК, лидернаяпоследовательность, а также транскрибируемый и нетранскрибируемый спейсеры составляют единицу длиной около 11 тпн, которая повторена несколько сот раз.

Как правило, число копий варьирует в пределах от 100 до 1000: у дрожжей — 140 повторов, у дрозофилы — 200-250, у человека — 1250.

Участок ДНК между генами 18S и 28S транскрибируется вместе с этими генами и называется транскрибируемым спейсером. В нем расположены короткие последовательности, которые выделяются из общего транскрипта в ходе процессинга РНК. У млекопитающих и амфибий в коротком спейсере формируется 5,8S РНК — небольшая молекула, образующая водородную связь с 28S рРНК в рибосоме.

Еще один пример – кластер гистоновых генов у дрозофилы. Его длина составляет примерно 500 тпн (100 повторов единицы около 5 тпн с пятью генами в каждой). Отдельные гены в пределах повторенной единицы транскрибируются в противоположных направлениях (т. е. с разных цепей ДНК).

У другого вида насекомых — хирономуса (Chironomus thummi) эти же пять гистоновыхгенов также составляют кластер. И у этого вида гены, расположенные в кластере, могут считываться с разных цепей.

Гены, контролирующие развитие крупных частей тела (гомеозисныегены) дрозофилы, собраны в кластеры. Их называют комплексами. Головная капсула дрозофилы формируется в результате активности генов комплекса Апtennapedia (Antp-C), брюшная часть — генами комплекса
Bithorax (BX-C).

Лекция № 13

Тема лекции: Организация генома. Геномика

План лекции:

1. Геномика

2. Уникальные и повторяющиеся последовательности в геноме эукариот

3. Мобильные элементы генома

3.1. Открытие и классификация мобильных элементов

3.2. Мобильные элементы дрозофилы

3.3. Ту-элементы дрожжей

3.4. Транспозоны млекопитающих

3.5. Значение мобильных элементов

Геномика

Вспомним классическое определение: «Геном – это совокупность генов гаплоидного набора хромосом данного организма или биологического вида». Сейчас это понятие трактуют шире: геном – это вся ДНК (ядра, митохондрий, плазмид, хлоропластов), содержащаяся в клетке данного организма или вида. Для РНК-содержащих вирусов – геном это вся его РНК.

Геномика -это новый раздел генетики, посвященный изучению на молекулярном уровне строения и функционирования геномов живых организмов. Выделяют структурную и фунциональную геномику, а также медицинскую геномику.

С начала 90-х годов разрабатываются многочисленные так называемые геномные проекты. Цель их заключается в выяснении последовательностей оснований во всех молекулах ДНК в клетках того или иного организма.

Для выполнения работ по геномным проектам используют современные методы генной инженерии, компьютерные технологии обработки данных и базы данных.

Первой крупной удачей геномных проектов было секвенирование генома бактерии Hemophilus influenzae в 1995 г. В 1996 г. был секвенирован геном Saccharomyces cеrevisiae. Геном человека был секвенирован в 2003 г.

К настоящему времени составлены карты геномов около 1000 видов как одноклеточных, так и многоклеточных организмов (мыши, дрозофилы, комара, нематоды и др.).

Расшифровка геномов требует огромных финансовых затрат и скоординированных усилий большого числа ученых из многих стран мира. Например, для того, чтобы расшифровать последовательность нуклеотидов в геноме дрожжей Saccharomyces cerevisiae, потребовались усилия более чем 600 ученых из 96 лабораторий мира.

Россия сегодня в этих работах фактически не участвует.

Протеом – полный набор белков, которые могут быть синтезированы и модифицированы в течение всей жизни клетки. Протеомика– наука, изучающая протеомы. Цель протеомики – определить для каждого белка, кодируемого генами, его функцию, структуру, особенности посттрансляционной модификации, клеточную модификацию, взаимодействие с другими белками. Пример: у человека ≈30 тыс. генов и ≈полмиллиона белков.