Типы и структура генов

7* 99

БИОХИМИЧЕСКИЙ КОД НАСЛЕДСТВЕННОСТИ РАЗНООБРАЗИЕ БЕЛКОВ

Белки выполняют в организме самые различные функции. В каче­стве ферментов они служат катализаторами химических реакций; в роли гормонов они, наряду с нервной системой, управляют работой различных органов, передавая химические сигналы. Белки использу­ются в организме и как строительный материал (например, в мышеч­ной ткани), и как транспортные средства (гемоглобин крови перено­сит кислород).

Размах синтеза белка, происходящего в клетке, огромен. Геном человека (набор последовательностей ДНК, определяющих генети­ческую индивидуальность человека) содержит порядка 6 биллионов нуклеотидов, из которых сформировано примерно 100 000 генов, чьи размеры варьируют в пределах от 1000 до 2 миллионов нуклеотидных пар. Если бы мы захотели описать эти 6 биллионов азотистых основа­ний и предположили, что на одной странице можно уместить около

3000 нуклеотидов, то нам понадобилось бы примерно 2 000 000 стра­ниц — «многотомное собрание» нуклеотидов (и это для генома только одного человека)!

Описание всех генов человека и расшифровки соответствующих последовательностей ДНК — основная задача международного иссле­довательского проекта «Геном Человека», который является самым крупным генетическим проектом в мире. Благодаря усилиям многих генетических лабораторий мира ученые будут иметь в своем распоря­жении полное описание генома человека.

До конца 80-х — начала 90-х годов геном называли сегмент ДНК, кодирующий полипептидную цепочку или определяющий функцио­нальную молекулу РНК. Однако современные молекулярные исследо­вания коренным образом изменили наше представление о структуре гена. Сегодня понятием «ген» обозначается сегмент геномной ДНК или РНК, выполняющий определенную функцию (причем выполне­ние этой функции вовсе не означает, что ген должен быть транскри­бирован и транслирован).

В настоящее время разделяют три типа генов: гены, кодирующие белки, которые транскрибируются в РНК и затем транслируются в белки; гены, кодирующие РНК; и регуляторные гены, которые со­держат нетранскрибируемые последовательности. Гены, кодирующие белки и РНК, называются структурными генами; их активность, «вклю­чение» и «выключение» определяются генами-регуляторами.

По мере проникновения в молекулярную структуру генетического материала все труднее становится находить в молекулах ДНК границы того, что обозначается понятием «ген». Это связано с тем, что про­цессы транскрипции (на ДНК) и трансляции (на мРНК) прямо не совпадают ни по локализации, ни по составу нуклеотидов. Наконец, постоянно увеличивается число открываемых генетических единиц. Так, наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены, на­пример, участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых мы только начинаем понимать, и мигрирующие нуклеотидные последовательности (мобильные гены).

Структура гена сложна, и в данном учебнике она подробно рас­сматриваться не будет. Отметим только наиболее важные моменты. В основном гены высших организмов имеют прерывистую структуру, Обычно они состоят из блоков (экзонов) — транслируемых участков, которые копируются в мРНК, переносимую в цитоплазму, и других блоков (нитронов) — нетранслируемых участков, которых в мРНК нет. На начальном этапе транскрипции ген копируется полностью в пре-мРНК вместе с нитронами, которые затем «вырезаются», обра­зуя зрелую мРНК. Так, некодирующая ДНК присутствует даже внут­ри самих генов.

РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ

В каждый конкретный момент клетка не использует всю содержа­щуюся в ее хромосомах генетическую информацию. Например, клет­ки печени вырабатывают специфические ферменты, которые не син­тезируются, скажем, клетками почек, хотя те и другие содержат в своих ядрах одну и ту же ДНК. Кроме того, гены включаются и вык­лючаются на разных стадиях онтогенеза: например, организм челове­ка производит разные типы белка гемоглобина на разных этапах со­зревания организма (ранний эмбриогенез, развитие плода, детство, взрослый возраст). Синтез этих белков контролируется разными гена­ми, которые включаются и выключаются на разных этапах онтогенеза.

Регуляция генной экспрессии осуществляется на нескольких уров­нях при помощи целого набора клеточных механизмов. Общая задача процесса регуляции — избежать напрасных затрат энергии и создать условия для того, чтобы клетка производила наиболее эффективным образом все, в чем она нуждается. Процесс регуляции разворачивает­ся в соответствии с заданной генетической программой или в ответ на изменения как во внутренней, так и во внешней среде организма. Считается, что в геноме человека количество регуляторных генов при­мерно соответствует количеству структурных генов.

Дата добавления: 2014-11-20