Геном прокариот

Основной чертой молекулярной организации прокариот явля­ется отсутствие в их клетках ядра, отгороженного ядерной мемб­раной от цитоплазмы. Отсутствие ядра является лишь внешним проявлением особой организации генома у прокариот.

Геном прокариот построен очень компактно. Количество неко­дирующих последовательностей нуклеотидов минимально. Мно­гие механизмы регуляции экспрессии генов, использующиеся у эукариот, никогда не встречаются у прокариот. Простота строе­ния генома прокариот объясняется их упрощенным жизненным циклом.

Ген — единица наследственной информации, занимающая опре­деленное положение в геноме или хромосоме и контролирующая выполнение определенной функции в организме. По результатам исследования прокариот, главным образом Е. сoll, ген состоит из двух основных элементов: регуляторной части и собственно коди­рующей части. Регуляторная часть гена обеспечивает первые эта­пы реализации генетической информации, заключенной в струк­турной части гена; структурная часть гена содержит информа­цию о структуре кодируемого данным геном полипептида. Коли­чество некодирующих последовательностей в структурной части гена у прокариот минимально. 5'-конец прокариотического гена имеет характерную организацию регуляторных элементов, осо­бенно на расстоянии 50 — 70 н.п. от точки инициации транскрип­ции. Этот участок гена называют промотором. Он важен для транс­крипции гена, но сам в РНК не транскрибируется. Противопо­ложный 3'-конец — терминаторная область, необходимая для тер-минации транскрипции. В РНК он также не транскрибируется. Транскрипция начинается со стартовой точки (+1).

Последовательности ДНК, являющиеся сигналами остановки транскрипции, находятся на 3'-конце гена и называются транскрипционными терминаторами. Они содержат последовательно­сти, которые в транскрибируемой РНК формируют структуру шпильки.

Кроме хромосомы у большинства бактерий существуют другие способные к автономной репликации структуры — плазмиды. Это двуцепочечные кольцевые ДНК размером от 0, 1 до 5% размера хромосомы, несущие гены, необязательные для клетки-хозяина, или гены, необходимые лишь в определенной среде. Именно та­кие внехромосомные элементы и содержат гены, которые прида­ют клеткам наследуемую устойчивость к одному или нескольким антибиотикам. Они получили название факторов резистентности, или К-факторов. Другие плазмиды определяют болезнетворность патогенных бактерий, например патогенных штаммов Е. соli, возбудителей чумыи столбняка. Третьи — определяют способность почвенных бактерий использовать необычные источники углеро­да, например углеводороды нефти.

^ 2. Геном эукариот

Для клеток эукариот характерно наличие оформленного ядра. Информационной макромолекулой их генома является ДНК, ко­торая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. Однако генетиче­скую информацию в клетках содержат не только хромосомы ядра. Жизненно важная генетическая информация заключена и во внехромосомных молекулах ДНК. У эукариот — это ДНК хлоропластов, митохондрий и других пластид. Под геномом эукариотического организма в настоящее время понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных ге­нетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке заро­дышевой линии многоклеточного организма.

Геном эукариот существенно отличается от генома прокариот по ряду признаков, среди которых необходимо отметить его избы­точность. Эукариотическая клетка содержит во много раз больше генов, чем прокариотическая. Повышенное содержание ДНК в геноме эукариот нельзя объяснить лишь увеличением потребно­сти этих организмов в дополнительной генетической информа­ции в связи с усложнением организации, поскольку большая часть их геномной ДНК, как правило, представлена некодирующими пос­ледовательностями нуклеотидов. Феномен значительной избыточ­ности генома эукариот в отношении некодирующих последова­тельностей нуклеотидов известен под названием «парадокса С».

Эукариотический ген можно рассматривать как совокуп­ность сегментов ДНК, которые вместе составляют экспрессируемую единицу, ответственную за образование специфического функ­ционального продукта — либо молекулы РНК, либо полипептида.

К сегментам ДНК, составляющим ген, относятся следующие элементы:

1.
Единица транскрипции – это участок ДНК, кодирующий
первичный транскрипт. Он включает: а) последовательность, ко­торая обнаруживается в зрелых функциональных молекулах РНК; б) интроны (для мРНК); в) промежуточные последовательно­сти - спейсеры (для рРНК). Интроны и спейсеры удаляются в
ходе процессинга первичных транскриптов; г) 5'- и 3'-нетранслируемые последовательности (5'-НТП и З'-НТП).

2.
Минимальные последовательности, необходимые для начала
транскрипции (промотор) и конца транскрипции (терминатор).

загрузка...

3.
Последовательности, регулирующие частоту инициации транскрипции, ответственные за индуцибельность и репрессию транскрипции, а также клеточную, тканевую и временную спе­цифичность транскрипции. Они разнообразны по строению, по­ложению и функциям. К их числу относятся энхансеры
и сайленсеры - это последовательности ДНК, расположенные в
тысячах пар нуклеотидов от промотора эукариотического гена и
оказывающие дистанционное влияние на его транскрипцию.

В отличие от прокариотических генов, почти всегда коллинеарных своим РНК, многие гены эукариот имеют мозаичное стро­ение. Под мозаичностью в данном случае подразумевается чередо­вание кодирующих (экзоны) и некодирующих (вставочные после­довательности, или интроны) последовательностей в пределах единицы транскрипции. Интроны чаще всего встречаются в генах, кодирующих белки.

Существенную часть генома эукариот (10 — 30%) составляют повторяющиеся последовательности, имеющие определенную структурную организацию и способные перемещаться в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Они получили название подвижных генетических элементов.

Различают два основных класса подвижных генетических эле­ментов: транспозоны и ретротранспозоны. Такая классификация основана на молекулярных механизмах, с помощью которых пе­ремещаются эти элементы.

^ 3. Геномы органелл эукариот: ДНК митохондрий и хлоропластов

Существуют два типа цитоплазматических ДНК: одни находят­ся в митохондриях эукариот, другие -в хлоропластах зеленых растений и водорослей. Как и все цитоплазматические элементы, они наследуются по материнской линии, а не по законам Менделя! Большая часть белков этих органелл, закодированная в ядерной ДНК, синтезируется в цитоплазме и затем переходит в органеллу. Однако некоторые белки митохондрий и хлоропластов и все их РНК кодируется в ДНК самих органелл и в них же синтезируют­ся. Таким образом, органеллы — это результат объединенных усилий двух геномов и двух трансляционных аппаратов. РНК-компо­ненты рибосом органелл, а также тРНК, использующиеся при трансляции, кодируются геномами митохондрий и хлоропластов.

Размеры генома хлоропластов у всех исследованных организ­мов сходны, тогда как митохондриальные геномы у растений на­много больше, чем у животных.

Все митохондрии и хлоропласты содержат по несколько копий собственной геномной ДНК. Эти молекулы ДНК обычно распре­делены в виде отдельных групп в матриксе митохондрий и в строме хлоропластов, где они прикреплены к внутренней мембране. Способ упаковки ДНК неизвестен. По структуре геном более схо­ден с бактериальным геномом: например, как и у бактерий, у них нет гистонов.