Современные представления о структурно-функциональной организации генов
Историю взглядов на единицы наследственности (гены), открытые Г. Менделем, можно условно разделить на несколько периодов. В соответствии с "классической" точкой зрения, которая превалировала в 30-е гг. XX в., ген рассматривали как неделимую единицу генетической передачи, функции, мутации и рекомбинации. Начиная с 1940-х гг., в связи с установлением генетической роли ДНК формируется "неоклассическая" концепция, согласно которой ген (цистрон) представляет собой участок молекулы ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, определяющей первичную структуру синтезируемой молекулы мРНК и соответствующего полипептида либо одиночной молекулы тРНК или рРНК. При этом ген подразделяется на свои составные части в виде элементарных единиц мутации (мутонов) и рекомбинации (реконов), которые могут быть идентифицированы как определенные участки полинуклеотида. Гены, детерминирующие структуру полипептидов и молекул РНК, получили название структурных генов. Современный период понимания гена, начавшийся с 1970-х гг., связан с появлением новых знаний о прерывистой ("мозаичной") структуре генов эукариот и ряде других особенностей генетической организации различных организмов (перекрывающиеся гены, повторяющиеся гены, псевдогены, мобильные гены и др.).
В рамках классической (формальной) генетики принято рассматривать ген как структурную единицу, детерминирующую элементарный признак (фен) организма. Совокупность всех генов отдельного организма (индивидуума) называют его генотипом, а совокупность наследуемых признаков — фенотипом. Термином "геном" принято обозначать совокупность всех генетических элементов (ДНК хромосом, митохондрий, плазмид и др.), являющихся постоянными для организмов данного вида. Следует заметить, что размеры геномов (количества геномной ДНК либо РНК у соответствующих вирусов) имеют существенные различия у организмов, относящихся к разным уровням организации живой материи (вирусы, бактерии, эукариоты).
Достижения современного этапа в изучении структуры и функций генов связаны с разработкой и широким использованием технологий генетической инженерии, в том числе методов клонирования фрагментов ДНК (генов) различных организмов. Для молекулярного клонирования могут быть использованы ферменты, получившие название рестрикционных эндонуклеаз (рестриктаз), которые способны расщеплять ("разрезать") специфические нуклеотидные последовательности молекулы ДНК с разрушением фосфодиэфирных связей и образованием линейных фрагментов молекулы. В качестве носителей (векторов) клонируемых генов обычно используют небольшие кольцевые молекулы ДНК вирусов либо бактериальных плазмид.
Примером может служить действие рестриктазы EcoR 1, которая способна "узнавать" участки молекулы ДНК, содержащие шести-нуклеотидные инвертированные последовательности (5'-ГААТТЦ-3' на одной нити и 3'-ЦТТААГ-5' на другой (комплементарной) нити), и вносить разрывы между нуклеотидами Г и А каждой
из нитей молекулы (рис. 1.11). Дальнейшее разделение этих нитей приводит к появлению однонитевых ("липких") концов образовавшихся фрагментов молекулы, которые, однако, могут легко воссоединяться по комплементарному принципу с помощью фермента лигазы, способного восстановить целостную структуру молекулы.
Рис. 1.11. Механизм действия рестриктазы EcoRl
На рис. 1.12 приводится схема эксперимента по клонированию одного из рестрикционных фрагментов хромосомной
Рис. 1.12. Клонирование гена, находящегося в структуре фрагмента хромосомной ДНК, в векторную молекулу плазмидной ДНК с использованием рестриктазы и лигазы
молекулы ДНК, содержащего нужный исследователю структурный ген, в кольцевую векторную молекулу ДНК (плазмиду), которая предварительно разрезается той же рестриктазой и, следовательно, имеет "липкие" концы, необходимые для последующего воссоединения с клонируемым хромосомным фрагментом. Следует заметить, что в качестве вектора обычно подбирается такая молекула ДНК, которая имеет всего лишь один полинуклеотидный участок, узнаваемый используемой рестриктазой, т.е. один участок разрезания, поэтому в результате ее рестрикции будет образован один линейный фрагмент, имеющий два комплементарных друг другу "липких" конца. Полученную таким способом гибридную молекулу ДНК (плазмидный вектор с включенным в его структуру хромосомным геном) можно затем ввести в бактериальную клетку с помощью трансформации и копировать в процессе размножения бактерий, являющихся хозяевами этой молекулы. Последующее выделение копированной ДНК клонированного гена, вырезанной той же рестриктазой из структуры векторной молекулы, дает возможность проводить детальный молекулярно-генетический анализ этого гена, включая определение его нуклеотидной последовательности (секвенирование гена). К настоящему времени созданы обширные "библиотеки" клонированных генов (клонотеки) различных организмов, которые используются как для исследовательских работ, так и при решении ряда практических задач.
В соответствии с современными представлениями большинство структурных генов прокариот (бактерий) представлено непрерывными участками молекулы ДНК, вся информация которых используется при синтезе кодируемых полипептидных цепочек. Следовательно, генетическая информация прокариотического гена реализуется полностью. У некоторых мелких вирусов была обнаружена необычная структурно-функциональная организация генетического материала в форме перекрывающихся генов (по принципу "ген в гене"), которая позволяет осуществлять еще более экономное использование имеющихся весьма ограниченных информационных возможностей генома. Так, например, некоторые участки ДНК одного из самых мелких бактериофагов φX174 (табл. 1.3) содержат информацию не одного, а одновременно двух различных генов, что позволяет геному столь малых размеров кодировать не менее 9 различных белковых молекул. Считывание информации перекрывающихся генов начинается с разных стартовых точек одной и той же нуклеотиднои последовательности, т.е. имеются различные рамки считывания этой последовательности.
В отличие от прокариот для эукариот типичным является прерывистый характер структурно-функциональной организации генов. Информация такого гена о структуре синтезируемого полипептида существует не в виде непрерывной нуклеотиднои последовательности определенного участка молекулы ДНК, а в форме кодирующих фрагментов (экзонов), которые прерываются (разделяются) "инертными" нуклеотидными последовательностями (нитронами), не принимающими прямого участия в кодировании этого полипептида. Следовательно, гены различных эукариотических организмов представляют собой мозаику из нескольких чередующихся в определенном порядке экзонов и интронов. Размеры нитронов в составе таких генов колеблются от 10 до более чем
Таблица 1.3 Размеры геномов различных организмов
| Организмы |
Число пар нуклеотидов гаплоидного генома |
| Бактериофаг φХ174 |
5,4-103 |
| Бактериофаг λ |
5,0-104 |
| Бактериофаг Т4 |
1,8-105 |
| Кишечная палочка |
4,2-106 |
| Дрожжи |
1,8-107 |
| Нематода |
8,0-1 07 |
| Человек |
3,0-109 |
22
Рис. 1.13. Структура генов - и -глобина человека.Закрашенные участки районы генов, кодирующие структуру полипептидов (экзоны), которые разделены интронами (незакрашенные участки). Цифры над генами указывают аминокислотные остатки кодируемого полипептида (после сплайсинга). Заштрихованы участки, которые транскрибируются в мРНК, но не транслируются в белок (их принято рассматривать как нетранслируемые части первого и последнего экзонов)
1000 пар нуклеотидов. В качестве примера можно рассмотреть мозаичную структуру генов, кодирующих синтез полипептидных цепочек α- и β-глобина (рис. 1.13), которые формируют тетрамерную структуру молекулы гемоглобина человека, содержащую две α- и две β-цепочки.
Предполагается, что интроны могут играть роль в регуляции процессинга РНК, который будет обсуждаться в подразд. 1.5. Имеются данные, позволяющие считать, что они, вероятно, существенно влияют на процессы рекомбинации между гомологичными генами. Известна также гипотеза о том, что по интронным участкам относительно легко и часто могут рекомбинироваться гены разных белков либо гены, детерминирующие белки одного семейства, но накопившие разные мутации. Можно полагать, что такие свойства интронов должны ускорять эволюцию белковых молекул, облегчая процессы эволюции эукариот в целом, что дает им значительные преимущества по сравнению с прокариотами. В качестве "эволюционного резерва" эукариот можно, вероятно, рассматривать и обнаруживаемые в их геномах псевдогены, которые представляют собой нуклеотидные последовательности ДНК, гомологичные последовательностям известных (функционирующих) генов, но по тем или иным причинам не проявляющие информационной активности, т. е. не дающие конечного зрелого продукта.
Одной из особенностей генетической организации эукариот является также присутствие в их геномах значительного числа повторяющихся генов, кодирующих первичную структуру тРНК, рРНК, белков-гистонов, а также иных (менее протяженных и не всегда идентифицированных в плане функциональной значимости) повторяющихся последовательностей ДНК, количество копий которых может варьировать от единиц до нескольких тысяч и более. Так, например, в гаплоидном геноме человека, содержащем около 3*109 пар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности ДНК составляют примерно 30 %, тогда как остальные 70 % генома представлены "уникальными" последовательностями, которые существуют в единичных копиях.
В геномах различных организмов (прокариот и эукариот) обнаружены также мобильные (транспозируемые) гены, роль которых будет обсуждаться в подразд. 1.7 этой главы.
| 
