БУДОВА ГЕНА. ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНОМУ У ПРОКАРІОТІВ І ЕУКАРІОТІВ

РОЗДІЛ І РОЗМНОЖЕННЯ

ТЕМА 4. ГЕНОТИП ЯК ЦІЛІСНА СИСТЕМА

§ 16. БУДОВА ГЕНА. ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНОМУ У ПРОКАРІОТІВ І ЕУКАРІОТІВ

Терміни і поняття: структурний ген (локус); регуляторний ген; кластери генів; екзон; інтрон; організація геному; сателітна ДНК.

Розвиток уявлень про будову гена. В міру розвитку генетики і накопичення знань про генетичні процеси умоглядне уявлення про ген як про абстрактну одиницю спадковості, введене в науковий вжиток у 1909 p., почало набувати дедалі конкретніших рис. Спочатку гени у хромосомах уявляли як нитку

з намистинок, механічно зв’язаних одна з одною. Лише деякі тогочасні вчені розглядали хромосому як величезну молекулу, в якій гени були окремими ділянками. При цьому вони вважали ген чимось неподільним і відтак мутації такими, що стосувалися гена в цілому. У цей період ще ніхто не знав, що ДНК і є речовиною – носієм генетичної інформації. Спадковою речовиною тоді вважали білки.

Тільки наприкінці 30-х років XX ст. з’явилися перші відомості про те, що ген подільний. Відповідні дослідження провели видатний російський генетик Олександр Сергійович Серебровський (1892-1948) та його учні. Вони вивчали мутації,

які призводили до зникнення щетинок на тілі дрозофіли. Вивчення мінливості різних груп щетинок наштовхнуло на думку, що вони кодуються різними алелями одного і того самого гена, причому ці алелі утворюються в результаті мутування різних субодиниць цього гена. Надалі виявилося, що кросинговер може роз’єднати не тільки різні гени, а й проходити безпосередньо всередині гена. Це також підтвердило подільність гена.

Після доведення того, що ДНК є носієм генетичної інформації, стало ясно, що структурний ген, або, як його ще називають, локус – це ділянка ДНК, що складається із специфічної послідовності нуклеотидів і має специфічний вплив на один або кілька ознак організму.

Сучасні уявлення про будову структурного гена. Подальші дослідження однозначно довели, що структурні гени – справді ділянки ДНК, на яких відбувається синтез РНК. Залежно від того, який тип РНК синтезується, виділили різні типи генів.

Мал. 58. Розташування ядерець (чорні кружки) на хромосомах людини.

Якщо на ділянках ДНК відбувається синтез іРНК, яка є матрицею для синтезу білків, то такі гени називають білковими генами, або білковими локусами. Підраховано, що структурний ген містить у середньому не менше тисячі пар нуклеотидів, що дає змогу закодувати один поліпептидний ланцюг, який складається з близько 300 амінокислот. Якщо на ділянці ДНК відбувається синтез транспортних РНК, то це гени (локуси) тРНК. Якщо здійснюється синтез рибосомальних РНК – то це гени (локуси) рРНК.

Ділянки, де перебувають гени, що кодують рРНК, добре помітні навіть у світловий мікроскоп. Вони дістали назву ядерець. їх може бути від однієї до кількох пар (мал. 58), розміщуються вони на різних хромосомах тварин і людини. Ядерця добре помітні тому, що на певній ділянці ДНК збирається кілька генів, кожний з яких кодує певний тип рРНК. Ці групи називають кластерами (від англ. скупчення). Через те, що будь-яка клітина потребує величезної кількості рРНК, що використовується для побудови рибосом, кожний з генів рРНК продубльований кілька разів і до того ж ампліфікований, тобто представлений кількома копіями нуклеотидних послідовностей, які реплікувалися зі структурних генів.

Надалі з’ясували: якщо вся нуклеотидна послідовність ДНК білкового локусу повністю бере участь у кодуванні послідовності іРНК, то не вся первинна іРНК є матрицею для наступного синтезу білка. Частину ділянок ІРНК у процесі її так званого дозрівання вирізають спеціальні ферменти, а ті, що залишилися, утворюють вторинну ІРНК, з матриці якої, власне, і відбувається синтез білків.

Ділянки ДНК, які у процесі дозрівання іРНК вирізаються, дістали назву інтронів (від англ. intervening sequence – проміжна послідовність), а ті, що потім зшиваються і служать матрицею для трансляції, – екзонів (від англ. expression – вираження) (мал. 59). Зазвичай у нуклеотидній послідовності одного локусу, що кодує білок, налічують три – п’ять інтронів. Така інтронно-екзонна структура генів характерна тільки для еукаріотичних організмів, у бактерій її немає.

Чому структурні гени еукаріотів мають таку складну структуру. Оскільки інтронно-екзонна організація є властивістю генів лише еукаріотів, цілком обгрунтоване припущення: така складна структура генів – прогресивне еволюційне пристосування еукаріотичних організмів. Вважають, що, насамперед,

Мал. 59. Тонка структура гена і схема дозрівання іРНК, пов’язана з вирізанням інтронів.

Це може бути механізмом, який обмежує мутаційний процес. При цьому інтрони виконують функцію “пасток” мутацій. Адже зміна нуклеотидних послідовностей у частинах структурного гена, що не кодується, не призведе до мутацій і появи амінокислотних замін. Крім того, якщо в одному з екзонів і відбудеться вставлення або випадіння нуклеотида, то це спричинить зсув рамки синтезу не всієї іРНК, а тільки якоїсь її частини, тобто ефект буде не таким вже й згубним. Очевидно, складна структура гена забезпечує його більш високу стабільність і надійність функціонування.

Що таке регуляторні гени. Крім структурних генів, що кодують ту або іншу форму РНК, у геномі всіх організмів є ще й регуляторні гени, які визначають початок, швидкість і послідовність процесів синтезу РНК на матриці ДНК. Вони є місцем прикріплення ферментів та інших білків, які беруть участь у реплікації і транскрипції, регулюють активність генів. Регуляторні гени невеликі, включають лише 20-80 пар нуклеотидів кожний, а тому порівняно із структурними генами займають набагато менше місця у геномі. Проте без цих генів, які не кодують специфічні білки, а тільки регулюють процеси реплікації ДНК, взаємодію ДНК з певними білками і ферментами, проходження кон’югації хромосом, так само неможливе функціонування генетичного апарату, як без гормонів (речовин, синтезованих організмом у мінімальних кількостях) – життєдіяльність людського організму.

Розміри геномів і кількість генів у різних організмів. Пригадайте: під геномом розуміють увесь генетичний матеріал одного гаплоїдного набору хромосом. Зазвичай організми диплоїдні й відповідно мають два геноми: одержаний від матері і одержаний від батька. Хоч бувають організми з трьома геномами – триплоїдні, чотирма – тетраплоїдні й так далі.

Розмір геному, який прийнято оцінювати за кількістю ДНК, що міститься в ядрі, має чітку тенденцію до збільшення в міру ускладнення організації живих організмів (мал. 60). Так, геном бактерії кишкової палички налічує 4,6 млн, геном дрозофіли – 130 млн, а геном людини – 3,2 млрд нуклеотидних пар. У цілому ссавці мають найбільші геноми. Проте з будь-якого правила, як кажуть, є винятки. Найбільший геном

Мал. 60. Розміри геномів в організмів різних груп у пікограмах (10-12 г).

Виявлений у дводишної риби протоптеруса. Він включає 130 млрд нуклеотидних пар.

Зростання розмірів геному майже завжди супроводжується збільшенням кількості генів (мал. 61). Якщо в кишкової палички структурних генів близько 1 тис., у дрозофіли їх кількість може досягати 10 тис., то в геномі людини їх 20-25 тис., а у рослин – до 50 тисяч.

Організація геному. Яким же чином розташовуються гени у геномі? Відповіді на це запитання тривалий час не було. Перші гіпотези (пригадайте ідею намистинок на нитці) були дуже далекими від істини. Дослідження, проведені у другій половині XX ст., нарешті висвітлили це питання.

Насамперед було встановлено, що ДНК у клітинах будь-яких організмів набагато більше, ніж необхідно для забезпечення структурних генів. Навіть якщо до структурних генів додати регуляторні, то однаково виявиться, що надлишкова ДНК становить більшу частину геному. Причому, якщо у кишкової палички ДНК, на яку припадають структурні гени, становить близько 15-20 % усієї ДНК геному, то в дрозофіли – 5-10 %, а в людини – 2-5 % (мал. 62). Причини надмірної кількості ДНК у геномі дотепер не мають однозначного пояснення.

Крім того, встановлено, що геном складається з послідовностей нуклеотидів, що відрізняються своєю унікальністю. Наприклад, у геномі миші хатньої 70 % нуклеотидних послідовностей унікальні, тобто наявні в єдиному екземплярі або кількох копіях. Ще 20 % – це середні за показником повторюваності послідовності, що трапляються в геномі сотні й навіть тисячі разів. Це структурні гени, які визначають синтез транспортних і рибосомальних РНК та білків-гістонів (пригадайте: це основні білки, що взаємодіють з ДНК і визначають її укладання в хромосоми).

Мал. 61. Кількість генів у організмів різних груп: а – дрозофіли; б – вільноживучого круглого черва; в – людини; г- рису; г- кукурудзи.

Мал. 62. Відсоток ДНК, що не має жодного відношення до структурних генів. Добре помітно: чим вищий щабель організації, тим менший відсоток ДНК припадає на структурні гени.

Третя категорія становить 10 % геному. Це високочастотні повтори нуклеотидних послідовностей з менш ніж 10 парами нуклеотидів. Частота їх повторів становить до 10 млн на геном. Цю частину ДНК прийнято називати сателітною (від лат. сателлес – супутник). Вона перебуває в ділянках ДНК біля центромери хромосоми. Очевидно, що ця частина ДНК є некодуючою.

Сучасні уявлення про структуру гена та організацію геному виглядають таким чином. Гени поділяють на структурні й регуляторні. Структурний ген – ділянка ДНК, на якій кодується якийсь із типів РНК. Білкові гени – це ділянки ДНК, де кодується іРНК, у процесі дозрівання якої в еукаріотів вирізаються певні ділянки, а решта зшивається й слугує матрицею для трансляції. Об’єм ДНК у клітині набагато більший, ніж необхідно для створення потрібної кількості структурних і регуляторних генів. Геном складається з послідовностей нуклеотидів із різним ступенем повторюваності: унікальні (структурні гени), середньоповторювані (гени рРНК і тРНК, гістони) та високоповторювані (частина, що не кодує ДНК).