ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 1. Природа генетичного матеріалу

ДНК ЯК ГЕНЕТИЧНИМ ТЕСТ: ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНОМІВ

Як джерело інформації ген - це ділянка ДНК, у послідовності нуклеотидів якої записано інформацію про певний функціональний продукт. За типом цього продукту всі гени (сукупність генів даного організму називають генотипом) можна поділити на дві групи: гени, кінцевим продуктом яких є певні функціональні молекули РНК (гени РНК), і гени, у послідовності яких відповідно до генетичного коду (див. розділ 2) записано інформацію про послідовність амінокислот у складі білків (білкові гени). Гени РНК кодують різноманітні молекули РНК, що не піддаються трансляції (див. розділ 2): рРНК - рибосомні РНК (компоненти рибосом); тРНК - транспортні РНК (ключовий елемент системи трансляції); маленькі ядерні РНК; маленькі ядерцеві РНК; мікро-РНК; молекули РНК, що є компонентами деяких ферментів; інші види РНК, із яких ще не для всіх з'ясовані їхні функції. На білковому гені синтезується РНК-матриця для наступного синтезу білка - матрична (або інформаційна) РНК - мРНК.

Кодуюча послідовність ДНК, з якої під час транскрипції знімається інформація про послідовність нуклеотидів у складі РНК-репліки, є найважливішою змістовною частиною гена. Але для того, щоб відбулась експресія генетичної інформації (через синтез РНК і далі - білка), не менш важливими є регуляторні послідовності ДНК, які (за рахунок спорідненості до специфічних білків) використовуються для вмикання / вимикання транскрипції як першої стадії експресії гена. Отже, визначення гена можна сформулювати й так: ген - це ділянка ДНК, яка є необхідною і достатньою для повноцінного синтезу функціональної молекули РНК. Ділянка ДНК, яка може вважатися геном, має містити кодуючу послідовність із записаною інформацією про продукт, а також певний набір регуляторних елементів послідовності, від яких залежить запуск / блокування процесу транскрипції, шлях зчитування інформації тощо.

У кожній клітині багатоклітинного організму міститься кілька (іноді до кількох десятків) молекул ДНК - їхній набір однаковий для всіх клітин. Ця ДНК містить не тільки гени: принаймні мають бути з'єднувальні міжгенні ділянки. Сукупність послідовностей ДНК у клітинах даного організму називається геномом. На сьогодні повністю встановлено послідовності понад 700 бактеріальних і близько 100 еука- ріотичних геномів. Головна відмінність між ними полягає в тому, що у прокаріотичних геномах кодуючі послідовності становлять близько 95 %, тоді як частка кодуючих послідовностей у геномах еукаріотів не перевищує 3 %. Розміри деяких геномів і оцінку кількості білкових генів у їхньому складі наведено в табл. 1.1.

Таблиця 1.1. Розміри геномів і кількість білкових генів деяких організмів

* Для еукаріотів розмір геному та кількість молекул відображають половину ДНК у клітинному ядрі.

Вірусні геноми побудовані надзвичайно "економно": кодуючі ділянки генів займають практично всю, порівняно невелику, вірусну ДНК. У геномі прокаріотичної клітини кількість ДНК і генів значно зростає, але зберігається принцип економічності щодо використання більшості послідовностей для кодування генетичної інформації. Наприклад, геном Escherichia coli представлений однією циркулярною молекулою ДНК (так званою бактеріальною хромосомою) довжиною 4,6 млн пар основ. Близько 90 % цієї ДНК припадає на кодуючі послідовності ~4,1 тис. білкових генів і ~120 генів РНК, що не транслюються.

Еукаріотичні геноми містять значно більшу кількість ДНК порівняно з геномами прокаріотів (див. табл. 1.1), причому переважна частина цієї ДНК представлена некодуючими послідовностями. У тому числі, приблизно половина еукаріотичного геному - це послідовності, представлені багатьма копіями (послідовності, що повторюються). Еукаріотична ДНК знаходиться у клітинному ядрі у складі хромосом, кожна хромосома містить одну гігантську лінійну молекулу ДНК. Послідовності, що повторюються, зосереджені, зокрема, на кінцях хромосом (теломери) та в зонах прикріплення хромосом до веретена поділу при мітозі та мейозі (центромери).

Характерною ознакою генів еукаріотів (на відміну від прокаріотів) є мозаїчний принцип будови кодуючої частини (рис. 1.9): власне кодуюча частина представлена послідовністю окремих змістовних ділянок - екзонів, розділених беззмістовними інтронами. Часто екзони відповідають окремим структурним доменам мультидоменних білків: еволюційне збирання білка з кубиків-доменів може здійснюватись шляхом перетасування екзонів на рівні ДНК. Беззмістовними інтрони є в тому сенсі, що не несуть інформації про кінцевий продукт, але в межах інтронів часто розташовані важливі регуляторні ділянки. Крім того, інтрони деяких генів можуть містити інші гени зі своїми інтронами та екзонами. При транскрипції молекула РНК синтезується суцільно (первинний продукт транскрипції - первинний транскрипт - має у своєму складі екзони та інтрони). Отже, необхідним етапом експресії гена є процес сплайсингу (розділ 2) - вирізання інтронів і зшивання екзонів у кінцевий транскрипт, який уже може бути використаний як матриця для білкового синтезу. При цьому сплайсинг може бути спрямований по різних шляхах (рис. 1.9) - альтернативний сплайсинг, - що приводить до утворення різних кінцевих продуктів - різних білків.

Рис. 1.9. Мозаїчна будова кодуючої частини гена та схема утворення різних мРНК (ламані лінії - інтрони, що вирізаються) унаслідок альтернативного сплайсингу

Загальна кількість генів у геномах вищих еукаріотів варіює приблизно від 20 до 30 тис. (табл. 1.1). Як показано на рис. 1.10, кодуючі послідовності цих генів займають лише ~1,5 % геному. Решта припадає на міжгенну ДНК (де розташовані також регуляторні ділянки), інтрони (~30 %) і більше ніж половину геному становлять послідовності, що повторюються.

Рис. 1.10. Приблизний відносний вміст послідовностей різних типів в еукаріотичному геномі

Основні типи повторів, присутні в геномі вищих еукаріотів:

✵ гени, представлені кількома (а іноді до 1 тис.) копіями. Часто гени, котрі повторюються, згруповані в кластери, тобто знаходяться поряд один з одним;

✵ псевдогени - послідовності, які гомологічні певним генам, але не експресуються. До їхньої появи приводять, наприклад, порушення частини генів, що повторюються: непошкоджені гени беруть на себе функцію пошкоджених, а останні так і залишаються в геномі;

✵ багатократні повтори коротких послідовностей (тандемні повтори), частина яких розподілена по всьому геному, але більшість зосереджена в теломерних і центромерних зонах хромосом;

✵ інтерсперсні (дисперговані) мобільні елементи, здатні до переміщення та розмноження в межах геному. Мобільні елементи займають значну частину еукаріотичного геному (від 30 до 50 %), але розподілені в геномі нерівномірно: є довгі ділянки, що на 90 % представлені мобільними елементами, і такі зони, де інтерсперсні елементи відсутні. У цілому спостерігається негативна кореляція між щільністю генів і мобільних елементів. Детальніше про типи еукаріотичних мобільних елементів йтиметься в розділі 6.

Крім клітинного ядра, ДНК є також у мітохондріях і хлоропластах, де являє собою автономний, невеликий порівняй]' з ядерним, цитоплазматичний елемент еукаріотичного геному (див. розділ 6).