Понятие о гене. Классификация генов.

Ген – функциональная единица генетического аппарата, определяющая развитие одного отдельно взятого признака организма (Функционально-генетическое определение), участок макромолекулы ДНК, контролирующий образование конкретного белка-фермента(биохимическое), последовательность нуклеотидов ДНК, хранящая информацию об аминокислотной последовательности полипептидной цепи (Молекулярно-биологическое).
Делятся на:

 А) структурные и регуляторные (по функции; одни содержат информацию, другие контролируют её считывание)
Б)аллельные и неаллельные (по отношению к признаку и расположению)
В) доминантные и рецессивные (По взаимодействию и проявлению)

9)Регуляторные гены и регуляторные последовательности у прокариот.
Существует два вида регуляции активности генов у прокариот – позитивный и негативный. Негативный – связывание регуляторного белка с оператором блокирует работу оперона, позитивный – активирует работу оперона.
На примере лактозного оперона бактерии кишечной палочки – 3 гена – Z,Y,A, транскрибируются на одну мРНК (полицистронный формат записи). В зоне промотора – регуляторная последовательность – ген-оператор, вне связи с опероном – регуляторная помледовательность – ген-регулятор, имеет собственный промотор и точку терминации транскрипции. Ген-регулятор образует белок репрессор, который при отсутствии лактозы блокирует ген оператор и считывание информации с оперона (негативная регуляция). При появлении лактозы её молекулы взаимодействуют с белком-репрессором, ген-оператор не блокируется.
При обеднении среды глюкозой, но при наличии лактозы, галактозы и арабинозы, начинает работать белок активатор, взаимодействующий с промоторами оперонов, ответственных за утилизацию этих сахаров.(позитивная регуляция)

10) Регуляторные гены и регуляторные последовательности эукариот.
Особенностью эукариот является сложная регуляция считывания генетической информации. Они имеют три разных РНК-полимеразы, Рнк-полимеразы не могут самостоятельно инициировать транскрипцию, им необходимо наличие белков-общих факторов транскрипции, образующих комплекс, запускающий транскрипцию и регулирующий её. Регуляторные гены могут располагаться очень далеко от структурной части гена, и считывание с одной кодирующей части может контролироваться несколькими регуляторными.
Регуляторная часть генов эукариот состоит из промотора и регуляторных последовательностей, необходимых для инициации, контроля скорости и интенсивности.
Кроме того, существуют участки генов, называемых энхансерами и сайленсерами, которые, путём связывания определённых белков, могут ускорять или замедлять процесс транскрипции.

11) Организация генов у прокариот. Строение оперона.
Оперон – участок хромосомы, включающий промотор, оператор, структурные гены и терминатор.
Оперон Е. coli — это группа структурных генов А, В, С, расположенных друг за другом, которые имеют общий промотор, оператор (нуклеотидные последовательности промотора и оператора перекрываются) и терминатор. Они участвуют в одном метаболическом цикле (в данном случае расщепление лактозы до глюкозы и галактозы) и регулируются координированно. Структурные гены в составе оперона находятся под контролем оператора. Регуляция оперона осуществляется геном-регулятором (см. рис. 84).
Промотор выполняет функцию связывания ДНК и РНК-полимеразы с помощью комплекса CAP-цАМФ.
К оператору присоединяется белок-репрессор, блокирующий транскрипцию.
На примере лактозного оперона:
Содержит три структурных гена – Z, Y, A. Которые отвечают за синтез бета-галактозидазы, бета-галактозидпермеазы, и трансацетилазы. Характер синтеза – полицистронный, одновременно с нескольких цистронов (генов).
В области промотора находится ген-оператор – регуляторная нуклеотидная последовательность. Вне связи с лактозным опероном располагается ген-регулятор, имеющий собственный промотор и точку регуляции транскрипции. На нём синтезируется белок-репрессор, который соединяется с оператором, блокируя транскрипцию. Если в клетке есть лактоза, она взаимодействует с репрессором, препятствует его соединению с геном-оператором, и начинается транскрипция с оперона. Если среда бедна глюкозой, но богата лактозой, галактозой и арабинозой, белок активатор, или БАК, или CAP, соединяющийся с цАМФ, взаимодействует с промоторами оперонов, ответственных за синтез ферментов разложения этих сахаров.

12) Организация генов у эукариот. Понятие о кластере.
Гены эукариот состоят из интронов и экзонов. Интроны – незначащие участки, длинной от нескольких десятков пар, до нескольких тысяч пар нуклеотидов. Экзон – значащий участок, в последовательности нуклеотидов которого зашифрована информация о строении полипептидной цепи. Интроны имеют на 5 конце пару последовательностей ЦТ, на 3 – АГ.
Кроме того, гены эукариот отделены друг от друга спейсерами – участками нетранскрибируемой ДНК.
Геном эукариот имеет низкую информационную плотность, его большую часть составляет большое количество бессмысленных участков, спейсеров, экзонов,
Особенность – наличие кластеров изофункциональных генов – генов, имеющих схожие по строению и функции продукты экспрессии. Пример – кластер бета-глобиновых генов, состоящий из 5 генов и одного псевдогена – последовательности нуклеотидов, лишённой функциональной активности. В данной случае псевдоген идентичен одному из генов кластера, но мутации вызвали появление стоп кодонов во втором и третьем экзоне. Каждый из генов экспрессируется на определённой стадии индивидуального развития.

Кластер бета-глобиновых генов занимет участок ДНК, равный 65-ти тысячам пар нуклеотидов. Пять бета-глобиновых генов расположены по ходу транскрипции в последовательности, в которой данные гены экспрессируются по мере развития организма. Вначале локализуется эмбриональный - эпсилон-глобиновый ген, следом за ним через 13,3 тысяч пар нуклеотидов расположены два фетальных гамма-глобиновых гена (гамма-G и гамма-A) на расстоянии 3,5 тысяч пар нуклеотидов друг от друга. Вышележащие гены отделены от генов взрослых (дельта и бета) 13,9 тысячами пар нуклеотидов. Дельта-глобиновый и бета-глобиновый гены отделены друг от друга 5,4 тысячами пар нуклеотидов.

В кластере выявлены еще 2 пседогена, функционально неактивных. Один псевдоген локализуется перед 5' концом эпсилон- глобинового гена - на расстоянии 6-9 тысяч пар нуклеотидов, второй псевдоген - в промежутке между гамма-A-глобиновым геном и дельта-глобиновым геном.

Все бета-глобиновые гены построены по одному образцу - 3 экзона и 2 интрона. Малый интрон (120-130 пар нуклеотидов) локализуется между 30 и 31 кодонами, большой интрон (800-900 пар нуклеотидов) - между 104 и 105 кодонами. Локализация интронов в строго определенных местах характерна для всей группы бета-глобиновых генов (Lawn R.M.,1978). Кодирующая часть бета-глобиновых генов равна 438 пар нуклеотидов. Общая длина гена, включая кодирующую и некодирующую области - 1600 пар нуклеотидов.
Длина гена глобина - 1500 нуклеотидов.

Экспрессию генов глобина контролируют сложные и удаленные от этих генов регуляторные последовательности.

Синтез гемоглобина является одним из основных признаков конечной дифференцировки эритроидной клетки .

У человека альфа-глобиновый кластер включает три, а бета-глобиновый - пять генов, которые расположены в порядке их экспрессии в онтогенезе ( рис. 3 ). Оба кластера имеют фланкирующие регуляторные элементы, общие для всех генов каждого кластера. В бета-глобиновом кластере такие элементы обнаружены в 5'- и 3'- областях, а в альфа- глобиновом - только в 5'- области. Эти элементы, содержащие эритроид-специфичные гиперчувствительные к ДНКазе I сайты , получили название локус- контролирующая область ( LCR ). Образование гиперчувствительных сайтов в LCR предшествует началу экспрессии генов.

Необходимо подчеркнуть, что обычно LCR находятся на достаточно большом расстоянии от регулируемых генов. В трансгенных конструкциях полный бета-LCR , связанный с геном бета-глобина , обеспечивает высокий уровень тканеспецифичной экспрессии этого трансгена. В таких конструкциях LCR обеспечивает уровень экспрессии, зависящий от числа копий гена и независящий от места встраивания в геном.

У эукариот — основным типом организации генов являются кластеры. Кластеры генов — это группа родственных генов со сходными функциями, локализованная в определенных участках хромосом. В состав кластера входят активно функционирующие гены и псев- догены (\|/). Часто кластеры являются семейством генов, произошедшим от некоего гена-предка. Классическим примером являются гены глобинов в составе А- и В-кластеров Гемоглобин состоит из гема и белка тетрамера-глобина. Глобиновый тетрамер состоит из двух идентичных P-цепей и двух идентичных a-цепей. Аминокис-лотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется своими собственными генами, входящими соответственно в состав А- и В-кластера. У человека A-кластер располагается в 16 хромосоме, а В-кластер — в 11 хромосоме.

В-кластер занимает участок ДНК размером 50 тысяч пар нуклеотидов и включает в себя функционально активные гены и один псевдоген: ген Е (эпсилон); два гена у (гамма); псевдоген р (бета); ген 5 (дельта) и ген р (бета).

A-кластер располагается более компактно и занимает участок ДНК размером около 28 тысяч пар нуклеотидов и включает 3 активных гена и 2 псевдогена: ген £ (дзета), псевдоген С (дзета), псевдоген а (альфа) и гены а2 (альфа два) и а, (альфа один).

На разных стадиях эмбриогенеза происходит избирательное и по-следовательное включение и выключение генов А- и В-кластеров. Гены глобина располагаются в А- и В-кластерах в определенной последовательности и транскрибируются слева направо в порядке их экспрессии. У человека образование «взрослого» гемоглобина включает несколько этапов: эмбриональный гемоглобин, гемоглобин плода и гемоглобин взрослого человека (после рождения). Эмбриональный гемоглобин (до 8 недель развития) состоит из двух С, (дзета)- и двух е (эпсилон)-цепей; гемоглобин плода — из двух a-цепей и двух у (гамма)-цепей. После рождения человека гемоглобин состоит из двух а цепей и двух Р цепей, а также 5 (дельта)-цепи (рис. 83).

Гены глобина по внутреннему строению являются мозаичными (см. рис. 83). Мозаичный ген Р-глобина состоит из трех экзонов и двух интронов, они нумеруются последовательно цифрами (можно буквами). Ген начинается и заканчивается экзоном. Экзоны и интроны транскрибируются и входят в состав первичного РНК-транскрипта (про-мРНК). При процессинге интроны вырезаются и не участвуют в трансляции, мРНК представлена только экзонами, она короче про-мРНК и, соответственно, короче размера своего гена. На концах интронов имеются определенные постоянные последовательности ГТ-АГ (правило ГТ-АГ).

13)Регуляция экспрессии генов у прокариот.
Общие принципы контроля.
Гены-регуляторы – кодируют информацию о белках-регуляторах, присоединяющихся либо к операторам(белок-репрессор), чем блокируют транскрипцию, либо к участкам до промоторов(белок-активатор), усиливая их сродство к РНК-полимеразе, то есть проявляя либо негативный, либо позитивный контроль.
Негенетические факторы – вещества небелковой природы, взаимодействующие с белками регуляторами, изменяющие их способность присоединятся к ДНК. Запускают транскрипцию – индукторы, препятствуют – корепрессоры.
Пример контроля – всё тот же лактозный оперон из трёх генов с общим пр При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы активный белок-репрессор, синтезируемый геном-регулятором (I), взаимодействует с оператором (О), препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипции структурных генов Z, Y, А. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всех ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции генов Z, Y, А. Таким образом, регуляция экспрессии генов, организованных у прокариот в опероны, является координированной. Синтез полицистронной мРНК обеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих в биохимическом процессе.