Страница: 32/52
последовательности, чтобы их можно было включать в структуру
гена?". Для многих целей оказывается удобным введенное в
последнее время понятие "считаемый ген"- counting gene.
Последний рассматривается как отдельная транскрибируемая
единица ДНК или её часть, которая может транслироваться в
одну или несколько взаимосвязанных аминокислотных последова-
тельностей. Поэтому последовательность, дающая две
транскрипционные единицы за счет альтернативного сплайсинга
и, как следствие, два разных белка учитывается как один ген.
Однако, если степень гомологии двух генопродуктов, имеющих
общий транскрибируемый участок, невелика, то эти последова-
тельности расцениваются как два разных гена (Fields et
al.,1994).
По своему функциональному назначению гены могут быть
разделены на две группы. Группа I представлена генами, коди-
рующими собственно белки; группа II - генами, контролирующи-
ми синтез рибосомальных, транспортных и ядерных РНК. По ха-
рактеру экспрессии гены также могут быть подразделены на две
группы - гены "домашнего хозяйства" (housekeeping genes),
продукты которых необходимы для обеспечения жизнедеятель-
ности любого типа клеток, и тканеспецифические гены, обеспе-
чивающие специализированные функции клеток, то есть гены,
функционально активные только в определенных типах клеток
(тканей) и только на определенных стадиях онтогенеза, так
называемые гены терминальной дифференцировки.
Считается, что средние размеры гена человека составля-
ют, примерно, от 10 до 30 кб. Однако, эта величина может ко-
лебаться от нескольких десятков до миллионов пар нуклеоти-
дов. Согласно последним данным, самый маленький из известных
генов- МСС-7, имеет размеры всего 21 п.о. (Gonzales-Pastor
et al.,1994), а самый болшой - ген дистрофина -2.2 мегабаз.
Гены отделены друг от друга протяженными промежутками -
спейсерами, содержащими в своем составе большое количество
повторяющихся последовательностей ДНК и нетранскрибируемые
уникальные последовательности.
Рассмотрим более подробно современные данные о числе
генов в геноме человека. Полученные разными методами оценки
этой величены приведены в Табл.2.1. Исходя из размера генома
(около 3 000 миллионов п.о.), и среднего размера одного гена
порядка 10 - 30 тыс.п.о. (Gilbert, 1992), общее число генов
должно быть порядка 100 000. При этом, как уже указывалось,
распределение генов на хромосомах крайне неравномерно. Уста-
новлено, что более 90% генов находится в Гимза -отрицатель-
ных районах метафазных хромосом, в так называемых R-бэндах
(Antequera,Bird ,1993). Проведенные недавно прямые исследо-
вания методом секвенирования показывают, что в R-бэндах их
число достигает 43-50 на один бэнд, а в Гимза- положительных
районах хромосом (G бэндах), - только 1-2 на 75-80 килобаз,
то есть всего в геноме можно ожидать около 70 000 генов.
Оценка числа генов по доле транскрибируемой части генома
(всего 12%) дает совсем маленькую величину - 20 000 генов
(Wagner et al.,1993). Методом исследования кинетики реассо-
циации РНК в культуре клеток число генов оценивается между
20 - 40 000 (Lewin, 1990). В то же время в клетках мозга
число различных мРНК по некоторым данным достигает 97 000
(Wagner et al.,1993). Наиболее точные подсчеты числа генов
человека проведены в последнее время и основаны на оценке
числа CpG островков (Табл.2.1). Известно, что в промоторной
области всех генов "домашнего хозяйства" и примерно у 40 %
генов терминальной дифференцировки, обеспечивающих специали-
зированные функции дифференцированных клеток, находятся об-
ласти коротких динуклеотидных CpG повторов. Разработаны мо-
лекулярные методы точной регистрации этих участков, которые
показали, что их число в геноме около 45 000, отсюда число
структурных генов оценивается в 67-70 000 ( Antequera, Bird,
1993). Практически такое же число генов (64 000) определено
недавно методом учета маркерных экспрессирующихся последова-
тельностей (expressed sequence tags) (Fields et al., 1994).
Таким образом, суммируя вышеизложенное, можно сделать вывод,
что в геноме человека содержится, в среднем, около 70-80 000
отдельных транскрибируемых ДНК последовательностей, то есть
генов.
Транскрипция гена начинается с 5' конца первого экзона,
где расположен сайт инициации транскрипциии. Определенной
гомологии между стартовыми сайтами разных генов не наблюда-
ется, но чаще всего они начинаются с нуклеотида А, окружен-
ного пиримидиновыми основаниями. На границах между экзонами
и интронами имеются консервативные канонические последова-
тельности, играющие существенную роль в обеспечении точности
вырезания интронов во время сплайсинга РНК. Все интронные
последовательности начинаются с динуклеотида GT и заканчива-
ются динуклеотидом AG, называемыми, соответственно, донорны-
ми и акцепторными сайтами сплайсинга. На 3' конце многих
структурных генов идентифицирована поли(А)-сигнальная после-
довательность (AATAAA), участвующая в процессе модификации
первичного РНК транскрипта и ответственная за альтернативный
сплайсинг мРНК, обеспечивающий синтез разных зрелых мРНК с
одного и того же первичного РНК транскрипта.
Транскрипция генов осуществляется с помощью фермента
РНК-полимеразы. Около 50-70% клеточного синтеза РНК обеспе-
чивается РНК-полимеразой I, локализованной в ядрышках и от-
ветственной за синтез генов рибосомальной РНК. РНК-полимера-
за II обеспечивает транскрипцию генов, кодирующих собственно
структурные белки. Этот фермент локализован в ядре (но не в
ядрышках). На его долю приходится 20 - 40% синтеза РНК.
РНК-полимераза III контролирует синтез ядерных и транспорт-
ных РНК (Льюин, 1987). На 1-м этапе РНК-полимераза связыва-
ется с двухнитевым участком ДНК и, расплетая его, делает
доступным спаривание смысловой нити ДНК с рибонуклеотидами
(Рис. 2.2). После того как первый нуклеотид РНК инкорпориру-
ется в сайт инициации транскрипции, полимераза начинает
продвигаться по нити ДНК в направлении 5'- 3', расплетая
двойные нити ДНК впереди себя и заплетая их позади. Этот
процесс продолжается до достижения терминирующего сигнала,
представляющего собой один или несколько терминирующих кодо-
нов. Затем молекулы РНК и фермента высвобождаются и двойная
спираль (дуплекс) ДНК полностью восстанавливается.
Для правильного начала синтеза РНК необходимо точное
взаимодействие РНК-полимеразы с молекулой ДНК. Этот процесс
контролируется промотором - специальной регуляторной после-
довательностью ДНК размерами около 75 п.о., локализованной,
как правило, в 5'-фланкирующей области гена. Иногда под
контролем одного промотора считывается несколько генов c об-
разованием единого первичного РНК-транскрипта. Промоторные
области различных генов довольно разнообразны по своему нук-
леотидному составу. Однако, почти для всех промоторов харак-
терно наличие консервативной последовательности из 7 основа-
ний на расстоянии 19-27 нуклеотидов слева от сайта инициации
транскрипции. Это, так называемый, TATA -бокс (блок Хог-
несса), обеспечивающий корректное расположение РНК полимера-
зы по отношению к стартовому сайту. На расстоянии 70 - 80
п.о. в направлении 5'-конца от начала транскрипции часто
расположена другая консервативная последовательность из 9
п.о. - CAAT- бокс, контролирующий начальное связывание
РНК-полимеразы. Мутации в TATA- или в CAAT-боксах могут су-
щественно влиять на скорость синтеза РНК. В 5'-фланкирующей
области гена на расстоянии до тысячи пар оснований от начала
его кодирующей части располагаются другие регуляторные
последовательности, так называемые инхансеры (усилители),
способные резко увеличивать продукцию гена за счет увеличе-
ния скорости транскрипции. Эти контролирующие элементы могут
работать независимо от их ориентации по отношению к сайту
инициации. Для некоторых генов найдены участки ДНК, подавля-
ющие транскрипцию, а также так называемые аттенюаторы (осла-
бители) - последовательности, лежащие между сайтом инициации
транскрипции и собственно геном. Они могут блокировать прод-
вижение РНК-полимеразы. Благодаря такому сложному механизму
контроля, достигается очень тонкая и эффективная регуляция
экспрессии генов практически на всех этапах транскрипции,
трансляции и образования функционально зрелого белка. Эти
механизмы более детально рассмотрены в других разделах.
Раздел 2.5 Изменчивость генома, полиморфные сайты рест-
рикции, ПДРФ-анализ.
Кодирующие и регуляторные области структурных генов на-
иболее консервативны в процессе эволюции, так как мутации в
них подвержены давлению жесткого естественного отбора.
Действительно, небольшие изменения в этих последователь-
ностях, даже замена одного основания, делеция или инсерция
нескольких нуклеотидов, могут привести к прекращению синтеза
Реферат опубликован: 26/04/2005 (125593 прочтено)