| Головна |
| «« | ЗМІСТ | »» |
|---|
При розгляді організації генома виділяють три її рівня.
Перший рівень - окремі гени і відповідні регуляторні елементи.
Другий рівень - число генів і інших сегментів ДНК, а також їх взаємне розташування.
Третій рівень - система хроматину і її вплив на лінійну організацію та експресію генів. Зв'язок між експресією генів і структурою хроматину доведена, але про механізми зв'язку з цим відомо поки дуже мало.
Геном кожного виду унікальний, проте у нього є і спільні риси з геномами інших видів.
Класифікація сегментів ДНК передбачає їх підрозділ на наступні групи.
Гени. Ген еукаріот - це сукупність сегментів ДНК, що утворюють Експресується одиницю. В результаті експресії утворюється один або кілька функціональних генних продуктів: поліпептидів або РНК. Ті сегменти ДНК, з яких генний продукт не транскрибується, називають некодуючими. Деякі некодуючі області (регуляторні сигнали, фланкирующие кодони або вставні послідовності, переривають ген) є складовими частинами генів. Інші ділянки, що мають відношення до реплікації ДНК або виконують якісь інші, поки невідомі нам функції, знаходяться між генами.
Псевдогени. Це ділянки геному, близькі в структурному відношенні до функціонуючої генам, але не є їх аллельними формами і не кодують жодних функціональних генних продуктів. Псевдогени можуть бути мовчати або мати мутації, з яких можуть транскрибуватися і далі транслюватися дефектні поліпептиди. Як правило псевдогени тісно зчеплені з відповідними функціональними генами або включають послідовності, гомологічні фланкирующим функціональний ген.
Процессірованной псевдогени. Це підклас псевдогенов з певною локалізацією і структурою. Як правило вони розсіяні по всьому геному, в тому числі і за різними хромосомами. За структурою вони більше схожі на ДНК-копії мРНК, ніж на гени.
Повторювані послідовності. Є різні варіанти повторів послідовностей в молекулі ДНК. Повторювані послідовності, орієнтовані в одному напрямку в молекулі ДНК, називають прямими повторами, або послідовностями, розташованими «голова-до-хвоста». Такі повтори можуть входити до складу безперервних (тандемних) повторів або бути розділеними іншими послідовностями. Розмір повторюваної одиниці варіює від двох до декількох тисяч пар нуклеотидів. Повторювані послідовності, орієнтовані в протилежних напрямках ( «голова-до-голові» або «хвост- к-хвосту»), називають зворотними (Інвертованими) повторами.
Значна частина більшості еукаріотичних геномів представлена послідовностями, що повторюються в незмінною або кілька модифікованій формі. Число таких копій варіює від двох до кількох мільйонів. Ген і споріднені з ним псевдогени утворюють сімейство повторюваних послідовностей. Інші сімейства, наприклад повторювані гістонові гени, складаються переважно з кодують елементів. Сімейства сателітних ДНК містять виключно некодуючі одиниці.
Наявність повторюваних послідовностей в геномі характерно не тільки для еукаріот. Зокрема, у таких прокаріотів, як Е. coli і S. ty- phimurium, є короткі (від 20 до 40 п. н.) паліндромний послідовності, що повторюються в міжгенних проміжках 500 і більше разів. Але на їх частку припадає лише 0,5 % всього генома. Крім того, ДНК прокаріотів містить повторювані одиниці довжиною кілька тисяч пар основ; одні з них є генами Хвороби, а інші - мобільними елементами. На відміну від прокаріотів, у багатьох еукаріот на частку повторів доводиться іноді більше 50 % генома.
Гени, що кодують РНК. На відміну від генів, що кодують білки, де кожен транскрипт в результаті багаторазової трансляції дає безліч генних продуктів, транскрипт РНК-гена дає тільки одну копію кінцевого РНК-продукту. В трансляції мРНК і процесингу РНК попередників бере участь широкий спектр молекул РНК, і багато хто з них потрібні в відносно великих кількостях. Попит на РНК часто задовольняється завдяки великому надлишку генів, серед яких виділяють 4 групи:
1. Гени, що кодують 18S, 5S і 28S рРНК. Значна частина даних про гени рибосомних РНК (рРНК) була отримана ще до появи методів рекомбінантних ДНК, оскільки рРНК, що виділяються з очищених рибосом, не містять домішок і можуть бути використані в якості зондів для гібридизації без попереднього клонування.
Дослідження виявили зчеплення трьох рРНК в межах однієї транскрипционной одиниці. Як правило кодують області названих генів еукаріот згруповані в зазначеному порядку в одну Транскрипційні одиницю '. Ці РНК утворюються з довгого транскріпта- попередника в результаті процесингу, що включає розщеплення РНК ендонуклеаза, і метилування нуклеотидів і 2'-гідроксильних груп. Повна Транскрипційні одиниця містить два некодуючих спеісера (Званих внутрішніми транскрібіруемих спейсерами, ITS), які поділяють три кодують області, а також має некодуючі ділянки перед першим геном 185 рРНК і за останнім геном 285 рРНК (ці ділянки називаються зовнішніми транскрібіруемих спейсерами,? 75). У еукаріот довжина і нуклеотидних послідовність рРНК варіюють незначно. У більшості випадків копії РДНК в хромосомі організовані у вигляді тандемного повтору, що утворює протяжний кластер. Ці кластери часто локалізовані в декількох хромосомах. Одиниці транскрипції РДНК в межах кластерів розділені міжгенних спейсерами, або IGS. довжина кожного IGS варіює від 2 т. п. н. у дріжджів до 30 т. п. н. у ссавців. нуклеотидні послідовності IGS сильно розрізняються у різних видів.
Число копій РДНК може варіювати і в межах кожного виду. У геномі людини РДНК виявлена в п'яти хромосомних локусах, при цьому кожен з них містить різну кількість копій РДНК, крім того, число копій на хромосому неоднаково у різних індивідів. Збільшення і зменшення числа копій характерні для РДНК в такій же мірі, як і для інших довгих тандемних повторів. Причина полягає в нерівній гомологичной рекомбінації між тандемними повторами.
Гени тРНК в еукаріотичних геномах, як і гени рРНК, зазвичай присутні в великій кількості копій. Але на відміну від РДНК з їх строго впорядкованої організацією, гени тРНК здаються розташованими безладно - вони можуть як бути сусідами, так і не бути сусідами один з одним, перебувати як в одному кластері, так і в різних. Таким чином, організація генів тРНК досить різноманітна.
Функціональні гени тРНК фланкируются найрізноманітнішими послідовностями, але серед них часто зустрічаються специфічні повтори.
4. Гени, що кодують малі ядерні і малі цитоплазматичні РНК. Еукаріотичні клітини містять безліч коротких стабільних молекул РНК, більшість з яких присутні в ядрі або цитоплазмі в складі нукпеопротеідних частинок (нуклеосом). Деякі з малих ядерних РНК (мяРНК) відіграють ключову роль в процесингу первинних транскриптів з утворенням зрілих мРНК і рРНК. Функції малих цитоплазматичних РНК (мцРНК), за винятком 7SL-PHK сігналраспо- знають частинок, не з'ясовані.
У геномі багатоклітинних організмів присутня безліч сегментів ДНК, які гибрідизуючою з U1-, U2-, U3-, U4-, U5-, U6- і і7-мяРНК або з відповідними кДНК. Одні такі сегменти дисперговані, а інші згруповані зазвичай в тандемні повтори. Як і в разі генів 5S рРНК, відповідний кодує ділянку може входити до складу довгого сегмента ДНК, який утворює повторювану одиницю. Як правило, функціональні гени організовані в кластери, а псевдогени дисперговані. Кодують послідовності функціональних генів комплементарні послідовностям соответсгвующіх мяРНК.
Сігналраспознающіе частки, основним компонентом яких є 7SL-PHK, беруть участь в перенесенні новосинтезованих секреті- руемих і пов'язаних з мембранами поліпептидів через ліпідний бішар ЕПР.
Функції генів інших мцРНК не з'ясовані.
Гени, що кодують білки. Гени, що кодують білки, у більшості видів містять кодують області (екзонів), перериваються одним або декількома нітроном. Однак деякі гени, зокрема кодують гистони або інтерферони, не мають вставних послідовностей. Їх число в різних генах варіює в широких межах, а кількість ДНК, що припадає на частку інтронів, може іноді в десятки разів перевищувати кількість ДНК кодують областей. Як правило, нуклеотидні послідовності аналогічних екзонів (що відносяться до паралогічное (Гомологічні гени, що виникли в результаті дуплікації і еволюціонували паралельно в одному і тому ж організмі) генам в одному геномі або до ортологічн'ш (Гомологічні гени, які неоднаково еволюціонували у різних видів, що мають загального предка) генам в різних геномах окремих видів) більш консервативні, ніж нуклеотидні послідовності відповідних интронов. Становище останніх як правило фіксоване, а за складом і довжині вони варіюють.
Всі відомі гени, що кодують білки, транскрибируются РНК-полімераза П, тому часто мають подібні промотори і сигнали поліадснілірованія. Але багато такі гени пов'язані з більш специфічними регуляторними послідовностями, які опосередковують дії гормональних, середовищних або онтогенетичних факторів.
На відміну від генів, що кодують РНК, поліпептидні гени представлені в геномі в однині. Однак геном часто містить сегменти, гомологічні специфічного гену. Таким чином, одноко- пійний ген може входити до складу сімейства близькоспоріднених послідовностей, наприклад в сімейство генів гормону росту. Члени такого сімейства можуть кодувати незначно розрізняються білки, наприклад ізозімов. Членами родини можуть бути і псевдогени. Генетики домовилися вважати:
Однокопійние гени можуть належати також великим надсемей-
ству віддалено споріднених послідовностей. Гени такого надсемей- ства, незважаючи на структурну схожість, кодують абсолютно різні білки (наприклад пролактин і гормон росту). Розподіл окремих генів по надсімейств можливо лише при наявності інформації про їх пуклеотідной послідовності. При цьому схожість між двома білками не знаходиться у прямій залежності від подібності між відповідними генами. Внаслідок вирожденність генетичного коду зміни в третій позиції кодонів мало впливають на тип кодируемой амінокислоти, в той час як такі ж зміни в першій або другій позиції кодонів призводять до суттєвих змін в структурі білка.
Крім генів, що належать мультігенних родин або над- родин, є і унікальні гени, наприклад ген тиреоглобуліну людини і ген актину дріжджів.
повторюваність послідовностей Дик. Тандемні повтори - характерна особливість усіх еукаріотичних геномів. Споріднені послідовності ДНК часто утворюють тандемні повтори. В одних випадках, як у генів, що кодують рРНК або гістони, тандемно повторюються групи однакових генів. В інших випадках в тандеми організовуються хоча і споріднені, але все ж різняться гени, наприклад члени муль- тігенних сімейств глобінових, овальбумінових генів і генів гормону росту людини.
Однак тандемні повтори зустрічаються не тільки в цілих генах, але і в їх кодують і не кодують ділянках.
Повторювані послідовності, розсіяні по всьому геному. Члени мультігенних сімейств, як і функціональні гени, а також процессірованной псевдогени, як правило багаторазово повторюються в незчеплених ділянках генома. Однак число копій таких послідовностей, за небагатьма винятками, не перевищує 50. Максимальна кількість копій - 1 000 - відомо для псевдогенов U1-PHK людини. Однак багато еукаріотичні ДНК містять і інші, дуже великі сімейства повторюванихпослідовностей, члени яких розсіяні по геному в кількості 106 копій. Роль більшості цих послідовностей залишається нез'ясованою, хоча деякі члени таких родин можуть бути функціональними генами.
Найважливіша властивість цих послідовностей - їх видова мінливість. Частота народження повторів в родинних родинах може відрізнятися у різних видів в 10 і більше разів. Така різноманітність характерно для геномів рослин, багатьох безхребетних і хребетних.
Але пластичність диспергованих повторів не обмежується первинною структурою послідовностей і числом їх копій. Багато розсіяні повтори представляють собою мобільні генетичні елементи, локалізація яких навіть у близькоспоріднених видів може бути неоднаковою. Більш того, алельних відмінності можуть визначатися наявністю або відсутністю будь-якого повтору.
Послідовності в області центромер і теломер. Центромери і теломери - найбільш чітко виражені структури хромосом. Довгий час вважали, що їх будова і функції пов'язані з якимись особливими послідовностями ДНК. Однак на молекулярному рівні вдалося виявити лише одну таку особливість - наявність в області центромер і теломер сателіта ой ДНК. Про функції цієї ДНК поки нічого не відомо.
Геноми органел еукаріот: ДНК мітохондрій і хлоропластів. Відмітна особливість клітин еукаріот полягає в тому, що частина їх генетичної інформації укладена в молекулах, які перебувають поза хромосом, локалізованих в ядрі. Існують два таких типу цитоплазматичних ДНК: один - в мітохондріях еукаріот, інший - в хлоропластах зелених рослин і водоростей. Як і всі цитоплазматичні елементи, вони успадковуються по материнській лінії, а не за правилами Г. Менделя.
Більшість білків, у тому числі побудовано функціональні і структурні компоненти мітохондрій і хлоропластів, кодуються хромосомної ДНК, синтезуються в цитоплазмі на рибосомах і транспортуються до відповідних органели.
Однак кілька білків кодуються неядерної ДНК і синтезуються на особливих рибосомах органел. Таким чином, органели формуються в результаті дії двох геномів і двох трансляційних апаратів. РНК-компоненти рибосом органел, а також тРНК, що використовуються при трансляції, кодуються геномами мітохондрій і хлоропластів. Очевидно, що взаємодія між продуктами хромосомних, мітохондріальних і хлоропластних генів обумовлено генетично. Наприклад, мутації в мітохондріальної ДНК у дріжджів та кукурудзи можуть супрессіроваться хромосомними мутаціями. Певні види чоловічої стерильності (освіта стерильною пилку), широко поширені у рослин, викликані мутаціями в мітохондріальної ДНК і успадковуються по материнській лінії. Фертильність таких рослин може відновлюватися домінантними алелями хромосомних генів.