11. Гени, будова нуклеїнових кислот, генетичний код, геном, транскрипція та трансляція, реплікація, репарація

Ген — одиниця спадкового матеріалу, що відповідає за формування певної елементарної ознаки. Ген є ділянкою молекули ДНК , що містить інформацію для синтезу РНК. Процес зчитування гену і синтезу РНК називається транскрипцією. У деяких вірусів геном може вважатись також ділянка РНК. Існують різноманітні типи РНК, найвідоміші з яких матрична рибонуклеїнова кислота(мРНК), з якої в процесітрансляції зчитується інформація амінокислотної послідовності білку. Білки відіграють в організмі специфічну роль, яка може проявлятись в характерній ознаці. З цієї точки зору гени розглядаються як носії спадкової інформації, яка передається в результаті розмноження від батьків до нащадків. Експресія генів - це прояв активного стану гену в окремій клітині.

Наука, що вивчає структуру, функцію та спадкову передачу генів називається генетикою. Наука, що вивчає сукупність всіх генів, що локалізовані в геномі окремого організму, називається геномікою.

Структура гену[ред. • ред. код]

Хімічна структура[]

Докладніше: ДНК та РНК

У переважної більшості живих організмів гени закодовані в ланцюгах ДНК. ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) є полімером з чотирьох типів нуклеотидів, кожен з яких складається з моносахариду класупентоз (2'-дезоксирибози), фосфатної групи, і одного з чотирьох азотистих основ: аденіну (А), цитозину (Ц), гуаніну (Г)і тиміну (Т).

Найпоширенішою формою ДНК в клітині є структура у формі правої подвійної спіралі з двох окремих ниток ДНК. Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном (два водневих зв'язки), гуанін — тільки з цитозином (три водневих зв'язки).

Завдяки хімічним особливостям зв'язку між пентозними залишками нуклеотидів, ДНК мають полярність. Один кінець ДНК-полімеру закінчується 3-гідроксильною (3 —ОН) групою дезоксирибози і називається 3' (три-прайм), а інший - 5-фосфатною групою (5 —РО3) і називається 5' (п'ять-прайм). Полярність ланцюжка грає важливу роль в клітинних процесах. Наприклад, при синтезі ДНК подовження ланцюжка можливе тільки шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільного 3' кінця.

Дезоксирибонуклеї́нова кислота́ (ДНК) — один із двох типів природних нуклеїнових кислот, що забезпечує зберігання, передачу з покоління в покоління і реалізацію генетичної програми розвитку й функціонування живих організмів. Основна роль ДНК в клітинах — довготривале зберігання інформації про структуру РНК і білків.

У клітинах еукаріотів (наприклад, тварин, рослин або грибів) ДНК міститься в ядрі клітини в складі хромосом, а також в деяких клітинних органелах (мітохондріях іпластидах). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) кільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд, міститься в цитоплазмі і прикріплена зсередини доклітинної мембрани. У них і у нижчих еукаріотів (наприклад дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, так звані плазміди. Крім того, одно- або дволанцюгові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.

З хімічної точки зору, ДНК — це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи (або гомологічної арсеноїдної). Зв'язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної групи. У переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що містять одноланцюжкові ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюжкова молекула утворює спіраль. В цілому структура молекули ДНК отримала назву «подвійної спіралі».

У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін, гуанін, тимін і цитозин) (виняток становлять випадки пізніших модифікацій нуклеотидів, наприкладметилювання). Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном, гуанін — тільки з цитозином. Послідовність нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найважливішими з яких є інформаційні, або матричні (мРНК), рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК (тобто за рахунок копіювання послідовності ДНК у послідовність макромолекули, що синтезується) у процесі транскрипції і беруть участь у біосинтезі білків (процесах сплайсингу і трансляції). Крім кодівних послідовностей, ДНК клітини містить послідовності, що виконують регуляторні і структурні функції. Ділянки кодівної послідовності разом із регуляторними ділянками називаються генами.

У геномах еукаріотів містяться також довгі послідовності без очевидної функції (некодівні послідовності, інтрони). Також у складі геному досить поширені генетичні паразити — транспозони і вірусні або схожі на них послідовності.

Розшифровка структури ДНК (виконана в 1953 році) стала одним з поворотних моментів в історії біології. За видатний внесок у це відкриття Френсісу Кріку, Джеймсу Ватсону і Морісу Вілкінсу була присуджена Нобелівська премія з фізіології і медицини 1962 року.

Функціональна структура[

На молекулярному рівні ген складається з двох структурних ділянок:

1. ДНК ділянки, з якої внаслідок транскрипції зчитується одноланцюгова РНК-копія.

2. Додаткові ДНК ділянки, які задіяні в регуляції копіювання. Наприклад, промотор та енхансери.

Комбінація і послідовність цих ділянок можуть бути особливими для кожного конкретного гену, а також структура гомологічних генів у різних організмів можуть суттєво відрізнятись. Типовому гену еукаріотівпередує регуляторна ДНК-ділянка - промотор, до якого приєднуються ензим РНК-полімераза та фактори транскрипції і забезпечують процес транскрипції. Типовий транскрипт гену (пре-мРНК) містить некодуючі ділянки інтрони, які вирізаються під час сплайсингу, а екзони зшиваються один з одним в зрілу мРНК. Варіації під час альтернативного сплайсингу можуть призводити до зшивання різних ділянок екзонів і утворення різних варіантів мРНК, яка зчитана з однієї ділянки ДНК. Відношення довжини і кількості інтронів в генах дуже різноманітне. Є гени як з одним інтроном, в той час, як існують гени, у яких інтрони складають до 95% всієї нуклеотидної послідовності. Найдовший людський ген білку дистрофіну ^[4] має довжину 2,5 мільйона нуклеотидів (це 0,08% всього людського геному) і кодує пептид довжиною 3685 амінокислот. Частка кодуючої послідовності становить 0,44 %.

Зріла мРНК містить відкриту рамку зчитування, а також некодуючі елементи: 5'-нетрансльовану ділянку, та 3'-нетрансльовану ділянку. Ці ділянки задіяні в регуляції процесу трансляції, а також регулють активність специфічних ензимів, що руйнують мРНК - РНКаз.

Гени прокаріотів відрізняються від генів еукариотів тим, що не містять в своїй структурі інтронів. При цьому окремі кодуючі ділянки можуть бути розташовані щільно одна до одної (поліцистронний кластер) так, що регулються спільним структурним елементом - промотором. В такому випадку подібний генний кластер зчитується спільним транскриптом, але транслюється в різні білки. Така спільна генна структура називається опероном. Оперони - типові генні кластери у прокаріотів.

Гени кодують не тільки мРНК, яка транслюється в білок, а також структурну рибосомну РНК, транспортну РНК, рибозими, мікроРНК, міРНК та піРНК, які відіграють регуляторну функцію. Послідовність ДНК, з якої зчитується некодуюча РНК часто називається РНК геном.

Трансляція — процес синтезу білків з амінокислот, що каталізується рибосомою на матриці матричної (інформаційної) РНК (мРНК або іРНК). Трансляція є однією зі стадій процесу біосинтезу білків, у свою чергу частини процесу експресії генів.

Трансляція відбувається в цитоплазмі, де знаходяться рибосоми клітини. Під час трансляції, інформація, що міститься в мРНК, розшифровується згідно з правилами, відомими як генетичний код, та використовується для синтезу закодованої поліпептидної послідовності. Процес трансляції можна поділити на чотири фази: активацію, ініціацію, елонгацію та термінацію.

При активації, відповідна амінокислота (аа) приєднується до відповідної транспортної РНК (тРНК). Хоча ця стадія часто розглядається окремо від трансляції, вона необхідна для її початку. Зв'язана з амінокислотою тРНК називається аміноацил-тРНК або «зарядженою» тРНК. При ініціації мала субодиниця рибосоми зв'язується з 5'-кінцем мРНК за допомогою факторів ініціації (IF), інших білків, що допомагають процесу. Елонгація відбувається, коли чергова аміноацил-тРНК використовується для збільшення поліпептидного ланцюжка. Термінація відбувається, коли рибосома зустрічає стоп-кодон (UAA, UAG або UGA), для якого не існує відповідної тРНК, при цьому відбувається звільнення поліпептидного ланцюжка.

Гено́м — сукупність всієї спадкової генетичної інформації організму, тобто всіх генів, некодуючих послідовностей ДНК та позахромосомного генетичного матеріалу.

Термін «геном» був запропонований Гансом Вінклером в 1920 році для опису сукупності генів в гаплоїдном наборі хромосом організмів одного біологічного виду. Первинний сенс цього терміну указував на те, що поняття генома на відміну від генотипу є генетичною характеристикою виду в цілому, а не окремої особини. З розвитком молекулярної генетики значення даного терміну змінилося. Відомо, що ДНК, яка є носієм генетичної інформації у більшості організмів і, отже, складає основу генома, включає не тільки гени в сучасному сенсі цього слова. Велика частина ДНК еукаріотичних клітин представленанекодуючими («надмірними») послідовностями нуклеотидів, які не містять в собі інформації про білки. Таким чином, основну частину генома будь-якого організму складає вся ДНК його гаплоїдного наборухромосом.

Генетична інформація в клітинах міститься не тільки в хромосомах ядра, але і у внехромосомних молекулах ДНК і РНК. У бактерій до такої ДНК відносяться плазміди і деякі помірні віруси, в клітках еукаріотів — це ДНК хлоропластів (хпДНК), мітохондрій (мтДНК) та інших пластид. Обсяги генетичної інформації, що містяться в клітинах зародкової лінії (попередники статевих кліток і самі гамети) ісоматичних клітинах, у ряді випадків істотно відрізняються. У онтогенезі соматичні клітини можуть втратити частину генетичної інформації клітин зародкової лінії (наприклад, при дозріванні такої соматичної клітини ссавців, як еритроцит відбувається втрата ядра, що містить ДНК), ампліфікувати групи послідовностей і/або значно перебудовувати початкові гени (наприклад, за активності транспозонів чи приV(D)J-рекомбінації клітин імунної системи).

Отже, під геномом організму розуміють сумарну ДНК гаплоїдного набору хромосом і кожного з позахромосомних генетичних елементів, що міститься в окремій клітині зародкової лінії багатоклітинного організму. У визначенні генома окремого біологічного виду необхідно враховувати, по-перше, генетичні відмінності, пов'язані із статтю, оскільки чоловічі і жіночі статеві хромосоми відрізняються. По-друге, через величезну кількість алельних варіантів генів і супутніх послідовностей, які присутні в генофонді великих популяцій, можна говорити лише про якийсь усереднений геном, який сам по собі може мати істотні відмінності від геномів окремих особин. Розміри геномів організмів різних видів значно відрізняються один від одного і при цьому залежність між рівнем еволюційної складності біологічного вигляду і розміром його генома досить слабка.

Загальна сукупість генів в організмі або клітині називається геномом. У прокаріотів переважна більшість генів, розташовані на одній хромосомі, що має вигляд кільцевої ДНК. У еукаріот зазвичай кілька окремих лінійних спіралей ДНК упаковані в щільні комплекси ДНК-білок, що називаються хромосомами. Гени, які розташовані на одній хромосомі у одного виду, у іншого виду можуть бути розташовані на різних хромосомах.

Місце на хромосомі, де розташований ген, називається локусом. Гени також не рівномірно розподілені по хромосомах, а частково згруповані в так звані кластери. Генний кластер може містити як випадкові гени, розташовані у безпосередній близькості один до одного, так і групи генів, які кодують білки, що перебувають у функціональній залежності. Гени, білки яких мають схожі функції, також можуть бути розташовані на різних хромосомах.

Багато видів можуть містити декілька копій одного і того ж гену в геномі соматичної клітини. Клітини або організми з однією копією гену на кожній хромосомі - називаються гаплоїдними; з двома копіями - диплоїдними, з більш як двома - поліплоїдними. Копії гену на парних хромосомах можуть бути не ідентичними. Під час статевого розмноження одна копія гену успадковується від одного батька, інша - від іншого.

За попередніми оцінками, кількість людських генів становить 50 000-100 000 ^[5]. Лише невелика їх кількість транслюється в білок (~20 000 у людини, мишей та дрозофіл, ~13 000 у круглих червів, >46 000 у рису)^[6]. Таким чином, лише 1–2% геному кодує білки ^[7]. Велика частина геному транскрибується у вигляді інтронів, ретротранспозонів та в некодуючу РНК.

Експресія та регуляція роботи генів

Процес синтезу біологічно функціональної молекули РНК або білку називається експресією генів, і в результаті сама молекула називається генним продуктом.

Експресія генів, закодованих в ДНК, починається з розшифровки генів в РНК (транскрипція), інший тип нуклеїнової кислоти, яка дуже схожа на ДНК, але її мономери містять цукор рибозу, а не дезоксирибозу. РНК також містить нуклеотид урацил замість тиміну. Молекули РНК менш стабільні, ніж ДНК і, як правило, одноланцюгові. Генетичний код вказує на відповідність певній амінокислоті в переказі з тринуклеотидної послідовності - кодону. Існує 64 можливих кодони і тільки 20 стандартних амінокислот. Це означає, що генетичний код вироджений, або надмірний і декілька різних кодонів можуть кодувати одну і ту ж амінокислоту. Відповідність між кодонами і амінокислотами майже універсальна між всіма відомими організмами.

Транскрипція

В процесі генетичної транскрипції синтезується одноланцюгова молекула матричної РНК, послідовність нуклеотидів якої є комплементарною до шаблонної ДНК, з якої вона зчитується. Транскрипція здійснюється ферментом РНК-полімеразою, що читає шаблонну послідовність в 3'- 5' напрямку і синтезує РНК в 5' - 3'напрямку. Для початку транскрипції, полімераза спочатку розпізнає і зв'язується з промоторною ділянкою гена. Таким чином основним механізмом регуляції роботи генів на рівні транскрипції є блокування промоторної області сильним зв'язком з репрессорними молекулами, які фізично блокують полімеразу, або шляхом організації ДНК таким чином, щоб промоторний регіон не був доступним.

У прокаріотів транскрипція відбувається в цитоплазмі. У випадку дуже довгих транскриптів трансляція в білок може початися на 5 'кінці РНК , в той час як транскрипція 3' кінця все ще буде тривати. У еукаріотів транскрипція завжди відбувається у ядрі, первинні транскрипти РНК повинні спочатку пройти пост-транскрипційні зміни, перш ніж експортуються в цитоплазму для трансляції. Альтернативний сплайсинг є додатковою формою регуляції роботи генів на рівні процесингу.

Трансляція

Трансляція це процес, при якому зрілі молекули мРНК використовується в якості шаблону для синтезу нових білків. Трансляція здійснюється рибосомами, великими комплексами РНК і білку, що відповідальні за проведення хімічних реакцій додавання нових амінокислот до поліпептидного ланцюга з утворенням пептидного зв'язку. Генетичний код зчитується трьох нуклеотидів одночасно, за допомогою взаємодії зі спеціалізованими молекулами РНК, які називаються транспортною РНК (тРНК). Кожна тРНК має три неспарених основи, відомі як антикодон і які є комплементарними до кодону, що зчитується. тРНК також ковалентно пов'язані з амінокислотою, відповідно до кодону. Коли тРНК зв'язується зі своїм комплементарним кодоном в мРНК ланцюзі, рибосоми передають з нього амінокислоту до карбоксильного кінця нового поліпептидного ланцюга. Під час і після синтезу, новий білок повинен скластись в активну тривимірну структуру, перш ніж він зможе виконувати свої клітинні функції.Постртрансляційні модифікації складають ще один етап регуляції роботи генів.

Успадкування генів

Ріст, розвиток і розмноження організмів базується на поділі клітин, тобто процесі, під час якого одна клітина ділиться на дві зазвичай ідентичні дочірні клітини. Цьому передує подвоєння кожного гена в геномі в процесі, що називається реплікацією ДНК. Копії створюються за допомогою ферментів ДНК-полімераз, які "читають" шаблонний ланцюг подвійної спіралі ДНК і синтезують новий комплементарний ланцюг. Оскільки подвійна спіраль ДНК тримається разом завдяки спаровуванню комплементарних нуклеотидів, послідовність одного ланцюга повністю визначає послідовність іншого, тому тільки один ланцюг повинен бути прочитаний ферментом, щоб створити точну копію. Процес реплікації ДНК напівконсервативной, тобто копії геному, який успадковує кожна дочірня клітина, містить один оригінал і один ново синтезований ланцюг ДНК ^[8].

Після того, як реплікація ДНК завершилась, клітина повинна фізично розділити дві копії геному і розподілити їх по двох клітинах. У прокаріотів - бактерій і архей - це, як правило, відбувається за допомогою відносно простого процесу бінарного поділу, при якому кожен з кільцьових геномів чіпляється до клітинної мембрани і розподіляється по дочірнім клітинам в момент, коли мембрани вигинаються, щоб розділити цитоплазму на дві обмежені мембраною порції. Бінарний поділ відбувається дуже швидко в порівнянні з показниками клітинного поділу у еукаріотів. У еукаріотів поділ клітин є складнішим процесом, відомий як клітинний цикл. Реплікація ДНК відбувається під час S фази цього циклу, в той час як процес поділу хромосом і розподілу цитоплазми відбувається під час фази М. У багатьох одноклітинних еукаріотів, таких як дріжджі, розмноження брунькуванням є звичайним явищем, що призводить до асиметричного поділу цитоплазми по двох дочірніх клітинах.

У організмів, що розмножуються статевим шляхом, спеціалізована форма клітинного поділу мейоз продукує клітини, які називаються гаметами або зародковиими клітинами, які є гаплоїдними, або містять лише одну копію кожного гена. Гамети, що виробились в жіночих статевих органах, називаються яйцеклітинами, а ті, що виробляються в чоловічих - спермою. Дві гамети зливаються, утворюючи запліднену яйцеклітину, що містить диплоїдний набір генів: одну копію від матері та одну від батька.

У процесі мейотичного поділу клітин, може інколи траплятись генетична рекомбінація або кросинговер, в якому ділянка ДНК на одній хроматиді міняється місцями з гомологічною ДНК ділянкою на сестринській хроматиді. Це не має жодного ефекту, якщо алелі на хроматидах ті самі, але в іншому випадку призводить до пересортування пов'язаних між собою різних алелів. Менделевський принцип незалежного розподілення стверджує, що кожен із двох батьківських генів для кожної ознаки сортується незалежно в гамети: ті алелі, які організм успадковує для одноєї ознаки, не мають стосунку до алелів, які він успадковує для іншої ознаки. Це насправді вірно тільки для генів, які не розміщені на тій же хромосомі, або принаймні розташовані дуже далеко один від одного на одній хромосомі. Чим ближче два гени лежать на одній хромосомі, тим більше вони будуть пов'язані в гаметах і найчастіше вони успадкуються разом. Гени, які розташовані дуже близько на хромосомі успадковуються разом, тому що вкрай малоймовірно, що точка перетину під час кросинговеру трапиться між ними. Це називається зчепленим успадкуванням.

Генетичний код — набір правил розташування нуклеотидів в молекулах нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), що надає всім живим організмам можливість кодування амінокислотної послідовності білків за’ допомогою послідовності нуклеотидів.

У ДНК використовується чотири нуклеотиди — аденін (A), гуанін (G), цитозин (C) і тимін (T), які в україномовній літературі також часто позначаються буквами А, Г, Ц і Т відповідно. Ці букви складають «алфавіт» генетичного коду. У РНК використовуються ті ж нуклеотиди, за винятком тимі- ну, який замінений схожим нуклеотидом — урацилом, що позначається буквою U (або У в україномовній літературі). У молекулах ДНК і РНК нуклеотиди складають ланцюжки і, таким чином, інформація закодована у вигляді послідовності генетичних «букв».

Комплементарні нуклеотиди

Для синтезу білків в природі використовуються 20 різних амінокислот. Кожний білок є ланцюжком або кількома ланцюжками амінокислот, розташованих у строго певній послідовності. Ця послідовність називається первинною структурою білка, що також значною мірою визначає всю будову білка, а отже, і його біологічні властивості. Набір амінокислот також універсальний для переважної більшості живих організмів.

Експресія генів, або реалізація генетичної інформації, у живих клітинах (зокрема синтез білка, що кодується геном) • здійснюється за допомогою двох основних матричних процесів: транскрипції (тобто синтезу мРНК на матриці ДНК) і трансляції генетичного коду в амінокислотну послідовність (синтез полі- пептидного ланцюжка на матриці мРНК). Для кодування 20 амінокислот, а також стоп-сигналу, який означає кінець білкової послідовності, достатньо трьох послідовних нуклеотидів. Набір з трьох нуклеотидів називається кодоном.

Властивості генетичного коду

Триплетність — значущою одиницею коду є поєднання трьох нуклеотидів (кодон).

Безперервність — між кодонами немає розділових знаків, тобто інформація прочитується безперервно.

Дискретність — один і той самий нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більше кодонів.

Специфічність — у переважній більшості випадків певний кодон відповідає лише одній амінокислоті.

Виродженість (надмірність) — одній і тій самій амінокислоті може відповідати кілька кодонів.

Універсальність — «стандартний» генетичний код працює однаково в організмах різного рівня складності — від вірусів до людини (хоч існують кілька інших, менш поширених варіантів генетичного коду).

Варіанти генетичного коду

Більшість організмів користуються одним варіантом коду, так званим стандартним кодом [1], проте це не завжди є правилом. Перший приклад відхилення від стандартного генетичного коду був відкритий у 1979 р. при дослідженні генів мітохондрій людини. З того часу булознайдено декілька подібних варіантів. Наприклад, прочитування стоп-кодону стандартного коду UGA як кодону, що визначає триптофан у мікоплазм. У бактерій і архей GUG і UUG часто використовуються як стартові кодони. В деяких випадках гени починають кодувати білок із старт-кодону, який відрізняється від завжди використовуваного даним видом. У деяких білках нестандартні амінокислоти, такі як селенцистеїн і піролізи, вставляються рибосомою під час зчитування стоп- кодону наявності певних послідовностей в мРНК після кодону. Селенцистеїн часто розглядається як 21-ша, а піролізин 22-гої амінокислоти, що входять до складу білків.