У ДНК закладена біологічна інформація, складова програму розвитку клітини організму.
Основна біологічна функція ДНК полягає в зберіганні, постійному самовідновлення, самовідтворення і передачі генетичної інформації в клітині.
Геном - сукупність генів в клітинах з гаплоїдний набором хромосом. Геном видоспецифичен і містить у людини 3 х 10 9 пар нуклеотидів. Включає 80-100 тисяч генів. Загальна довжина ДНК в диплоїдний набір хромосом 174 см. У геномі людини 23 групи зчеплення у жінок і 24 групи зчеплення у чоловіків, за рахунок наявності в 23 парі хромосом Х або Y- хромосом, а у жінок лише Х і Х хромосоми.
В даний час все гени виконуваних функцій поділяються: I - структурні; II - функціональні.
I.Структурние гени - їх налічується 35 - 40 тисяч і несуть інформацію:
- про білках ферментах,
- про гістонів,
- про послідовність нуклеотидів в різних видах РНК.
За будовою структурні гени поділяються на:
- незалежні гени або унікальні,
- повторювані гени,
- переривчасті гени.
Незалежні гени - це гени, транскрипція яких не пов'язана з транскрипцією інших генів. Їх активність може регулюватися гормонами.
Повторювані гени - це гени один, з яких може перебувати у вигляді повторів, повторюючись багато сотень раз, впритул слідуючи один за одним. Сотні повторів одного гена називаються тандем.
Сімейства генів - це група генів кодують один пептид. Наприклад: 4 гена альфа-глобіновой ланцюга гемоглобіну розташовані в 16 хромосомі і утворюють одну родину. Друге сімейство генів бета-глобіновой ланцюга гемоглобіну знаходяться в 11 хромосомі.
Помірно повторювані послідовності можуть становити від 1% до 90% всього геному, т. Е. Що працює ДНК всього 10%.
Кластери генів - це групи різних генів розташованих в певних локусах хромосом і об'єднаних спільними функціями. Наприклад, гістонові білки H2A, H2B, H3, H4.
Переривчасті гени - такі гени, в яких є кодують і не кодують послідовності триплетів. Це відмінна риса будови багатьох генів еукаріот, що отримала назву «мозаїчність», тобто уривчастість структури змістовної частини генів. У геномі людини поряд з переривчастими генами є гени цистрона структури (всі триплети кодують), наприклад гени тРНК, рРНК.
II. Функціональні гени поділяються:
- гени - модулятори, які посилюють або послаблюють дію структурних генів (інгібітори, інтегратори, модифікатори);
- гени, що регулюють роботу структурних генів (регулятори, оператори і гени пунктуації);
- онкогени - це клітинні або вірусні гени, експресія яких може привести до розвитку новоутворень;
- протоонкогени - нормальні клітинні гени, посилення або зміна функції яких перетворює їх в онкогени;
- пухлинні супресори - клітинні гени, які контролюють етапи клітинного циклу, інактивація яких різко збільшує ймовірність виникнення новоутворень; відновлення їх функції, навпаки, може придушити зростання пухлинних клітин.
Регуляція експресії генів прокаріотів за типом індукції і корепрессіі (модель оперона).
Загальні принципи генетичного контролю експресії генів
Активація структурних генів відбувається за допомогою гена - регулятора і гена - оператора. У звичайних умовах ген - регулятор активний і синтезує білки - регулятори. Якщо білок - регулятор взаємодіє з оператором, що займає частину промотора при цьому РНК полімераза не може з'єднатися з промотором, транскрипція не йде. Такий білок називається репрессором, контроль експресії генів - негативним. Якщо область оператора розташована перед промотором, зв'язування РНК-полімерази з промотором полегшується білком - регулятором і оператор запускає транскрипцію зі структурних генів. Такі білки називаються активаторами, контроль експресії генів - позитивним.
Роль негенетических чинників в регуляції генної активності
Регуляція експресії генів на стадії транскрипції може здійснюватися і негенетичними факторами, так званими ефекторами. До них відносяться речовини небілкової природи. При взаємодії з білками - регуляторами, вони змінюють їх здатність з'єднаються з оператором. Оператор залишається вільним, запускає транскрипцію зі структурних генів, ефектор виконав роль індуктора (спонукача). Ефектори можуть також грати роль корепрессоров, перешкоджаючи транскрипції. Вони переводять білок - репрессор в активний стан, який блокує оператор, і транскрипція припиняється.
Регуляція експресії генів у прокаріотів
Механізми регуляції були вивчені у мікроорганізмів французькими вченими Ф. Жакоб і Ж. Моно в 1961 р Вони запропонували оперон модель регуляції транскрипції прокаріотів. Оперон - це блок тісно пов'язаних структурних і функціональних генів (промотор, оператор, термінатор). Послідовність структурних генів визначає синтез групи білків, які приймають участь в одного ланцюга біохімічних реакцій. Оперон модель передбачає наявність єдиної системи регуляції, тобто об'єднані в один оперон структурні гени мають один загальний ген - промотор, ген - оператор і ген - термінатор. З структурних генів транскрибується єдина поліцістронной мРНК, потім вона розрізається і синтезуються готельні пептиди. Регуляція транскрипції вивчена на кишкову паличку, вона може йти по типу індукції і корепрессіі.
Регуляція активності генів за типом індукції
Прикладом регуляції експресії генів за типом індукції може служити лактозна оперон. В експерименті було відзначено, що після введення в живильне середовище цукру лактози в цитоплазмі клітини з'являються три ферменту. Лактоза виступає в ролі індуктора синтезу ферментів - розщеплення, які перетворюють субстрат в продукт, необхідний для життєдіяльності бактерій. Лактоза пов'язує білок - репрессор, змінює його третинну структуру, він втрачає здатність з'єднаються з геном - оператором. Вільний ген - оператор включає оперон, РНК-полімераза взаємодіє з геном - промотором і зі структурних генів здійснюється транскрипція поліцістронной мРНК. (Рис. 11) Після видалення із середовища лактози, звільнений білок - репрессор знову блокує ген - оператор і оперон вимикається, транскрипція припиняється.
Регуляція активності генів за типом корепрессіі
У бактерій описана система регуляції, яка переводить активні структурні гени в неактивний стан, в залежності від концентрації в цитоплазмі кінцевого продукту певної біохімічної реакції. Прикладом може служити триптофанового оперон, він є системою, постійно кодує синтез незамінної амінокислоти - триптофану. Надмірна кількість цієї амінокислоти, тобто кінцевого продукту, активізує білок - репрессор, він блокує ген - оператор і транскрипція припиняється, синтез триптофану зупиняється (рис. 12)
Таким чином, оперон модель - це саморегульована система, працює за принципом зворотного зв'язку і носить пристосувальний характер. Синтез ферменту запускається надходженням в клітку субстрату реакції (індуктор) і припиняється при його надлишку, при цьому кінцевий продукт виступає в ролі корепрессора.
Регуляція роботи генів у еукаріот
Схема регуляції транскрипції в еукаріот розроблена Г. П. Георгієва (1972). Принцип регуляції за типом зворотного зв'язку зберігається, але механізми її більш складні. Це обумовлено появою ядерної оболонки і роз'єднанням процесів транскрипції і трансляції в часі і просторі.
Одиниця транскрипції в еукаріот називається транскріптоном. Він складається з неінформативної (акцепторной) та інформативною (структурної) зон. Неінформативна зона починається промотором і ініціатором, за нею йде група генів операторів і далі розташована інформативна зона. Інформативна зона утворена структурним геном, розділеним на Екзони і інтрони. Закінчується транскріптон термінатором.
В даний час встановлено, що регуляція транскрипції еукаріот носить комбінаційний характер. Це означає, відсутність оперон моделі організації генів і синтез ферментів одного ланцюга біохімічних реакцій не мають єдиної регульованої системи.
Роботу транскріптона регулює кілька генів-регуляторів і синтезується кілька білків-репрессоров.
Індукторами в клітинах еукаріот є складні молекули (гормони і інші речовини), для розщеплення їх потрібно кілька ферментів. Індуктори звільняють гени - оператори від білків - репрессоров, РНК - полімераза запускає транскрипцію. Спочатку синтезується велика молекула попередниця мРНК, списувати всю інформацію. Після процесингу відбувається ферментативне руйнування неінформативної частини РНК і розщеплення ферментами - рестріктазамі інформативної частини на фрагменти, відповідні екзонних. Синтезується моноцістронная мРНК (рис.13). Включення і вимикання транскріптона відбувається так само, як і оперона.
У геномі еукаріотів зустрічаються унікальні послідовності нуклеотидів ДНК (одна в геномі), у людини на них припадає до 56%. Унікальна ДНК входить до складу структурних генів і дає інформацію про первинну структуру поліпептидів. Крім того, в геномах еукаріот містяться послідовності нуклеодідов, багаторазово повторювані. Ці гени виконують різноманітні функції: є промоторами, регулюють реплікацію ДНК, беруть участь в кроссинговере, відокремлюють Екзони і інтрони і ін. Життєдіяльність організму обумовлена функціональною активністю в основному унікальних генів, а вона, в свою чергу, залежить від стану внутрішнього середовища організму (гормональний фон і ін.), а також умов навколишнього середовища.