3.3 Структура гена прокариотических организмов

Структура гена прокариот сравнительно проста. Участок, кодирующий определенный белок, представляет ряд нуклеотидов (триплетных кодонов), которые транскрибируются на мРНК и затем транслируются на рибосоме в данный белок. Более сложной янляется система регуляции синтеза белка у бактерий. Как показали исследования Ф.Жакоба и Ж.Моно (1961), проведенные на E.coli, структурные гены, детерминирующие утилизацию этой бактерией лактозы, довольно тесно сцеплены и образуют оперон.

Это так называемая кластерная организация генов. При этом происходит транскрипция и трансляция единой мРНК для генов Z, Y и А. Транскрипция инициируется геном-промотором (Р). Важная роль отведена гену-индуктору (lacl). Заметим, что ген-индуктор может располагаться в другом месте генома, на удалении от оперона, активность которого он регулирует. Он кодирует белок/яс-репрсссор, который, связываясь в определенный момент с ДНК оператора, репрессирует транскрипцию мРНК со структурных генов lacZ, lacY и lacA. Если белок-репрессор связывается с ДНК индуктора, репрессор становится неактивным и белок-репрессор отделяется от ДНК оператора, и тогда РНК-полимераза инициирует транскрипцию мРНК со структурных генов. Белок /яс-репрессор – аллостерический белок, который имеет два центра связывания и поэтому может присоединяться к двум разным молекулам. В одном случае он связывается с оператором, а в другом – с лактозой.

3.4 Интрон-экзонная организация генов у эукариот

При изучении первичной структуры, т. е. последовательности нуклеотидов, ряда генов выяснилось, что в них, наряду с участками, кодирующими специфичный для этого гена продукт (полипептид, рРНК, тАНК и т. д.), имеются участки, которые ничего не кодируют, т. е. они подобно межгенным спейсерам (участкам между генами) не содержат генетической информации. Некодирующие участки получили название интронов, кодирующие – экзонов.

Такой тип структурной организации обнаружен для множества генов, локализованных в хромосомах эукариот, для некоторых генов внутриклеточных органелл эукариот – пластид и митохондрий, а также для генов нескольких РНК-содержащих и ДНК-содержащих вирусов, поражающих эукариот. У бактерий интронов в генах нет. Нет интронов и в генах вирусов, поражающих бактерии.

Число и внутригенная локализация интронов характерны для каждого гена, что становится очевидным в результате сравнения организации гомологичных генов у разных видов. Некоторые гены содержат только один-два интрона, но часто их значительно больше. Так, например, в гене овальбумина курицы 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы их 13, а один из генов коллагена курицы имеет даже 51 интрон.

По результатам проекта «Геном человека», в 17 тыс. исследованных транскриптов у этого вида среднее число экзонов на транскрипт составило 7,8. Летальное исследование экзонов у 10 наиболее изученных модельных объектов показало, что у эукариот в среднем один ген содержит 3,7 интрона на 1 тпн кодирующего участка ДНК. У низших эукариот, таких как дрожжи, 95 % генов содержат только один экзон, значит, такие гены не прерываются интронами. У дрозофилы таких генов всего 17%, а у млекопитающих – 6 %. Экзоны имеют, как правило, небольшую длину.

Длина интрона может быть разной – от нескольких десятков пар нуклеотидов до многих тысяч. Общая длина всех интронов часто значительно превышает суммарную длину экзонов. К примеру, из приблизительно 7 т пн, образующих ген овальбумина, на долю экзонов приходится всего 1872 пн, т. е. почти, 3/4 длины составляют интроны. По данным; проекта «Геном человека», только 1 % ДНК генома приходится на экзоны и 24 % на интроны, при этом размер гена (экзоны+интроны) составляет около 28 т.п.н.

Интроны транскрибируются наравне с экзонами, так что про-мРНК содержит участки, транскрибированные как с экзонов, так и с интронов. В дальнейшем в ходе процессинга, происходящего в ядре, участки про-мРНК, соответствующие интронам, вырезаются, а бывшие разобщенными участки, считанные с экзонов, «сращиваются», и зрелая мРНК содержит только транскрипты экзонов. Эти прежде разобщенные участки соединяются в нужном порядке. Воссоединение участков, транскрибированных с экзонов при образовании зрелой мРНК, называют сплайсингом. Длина гена существенно больше длины мРНК. Интроны всегда имеют на 5'-конце пару последовательностей СТ, а на 3'-конце — AG.

Последовательности нуклеотидов в экзонах консервативны, а в интронах сильно варьируют. Иногда экзон одного гена может быть гомологичным экзону даже другого гена. Например, два β-глобиновых гена мыши имеют по три гомологичных экзона в каждом гене. Между интронами этих генов гомология не найдена, повидимому, из-за того, что интроны эволюционируют значительно быстрее, чем экзоны. При сравнении последовательностей нуклеотидов в одних и тех же генах у разных видов находят большую гомологию в экзонах.

Разные экзоны в пределах гена не только различаются по составу кодируемых ими аминокислот, но и имеют определенные структурные особенности. Например, в геноме человека обнаружено 30-45 тыс. так называемых CpG-островков. Это тяжи неметилированной ДНК с высоким содержанием динуклеотидов CpG. Чаще всего они располагаются в районах стартовых точек транскрипции. Вероятность найти CpG-островки в первых экзонах генов человека в 13 раз выше, чем в интронах, и в два раза выше, чем в других экзонах.