5. Кластерная организация генов в хромосомах эукариот

У эукариот нет оперонов. Гены, контролирующие даже последовательные биохимические реакции, могут быть расположены в разных районах хромосомы и даже в разных хромосомах. Например, у дрозофилы многие гены, кодирующие ферменты, под контролем которых происходит превращение триптофана в бурый глазной пигмент, разбросаны во множестве участков генома.

Вместе с тем известны примеры кластерной организации генов. У человека существует несколько типов гемоглобинов. Каждый из них синтезируется на определенной стадии развития. Например, гемоглобины ξ и ε вырабатываются в клетках эмбрионального желточного мешка. В это время молекула белка состоит из двух цепей α-подобного ξ-гемоглобина и двух цепей ε (β-подобный).

К концу третьего месяца развития синтез гемоглобина этого типа заканчивается и начинается синтез фетального (утробного) гемоглобина в клетках печени и селезенки. Фетальный гемоглобин состоит из двух α-полипептидов и двух γ (β-подобных): двух γА или двух γG.

Во время постэмбрионального развития гемоглобин синтезируется в клетках костного мозга и состоит из α- и β-полипептидов и некоторого количества β-подобного δ-полипептида. Большая часть гемоглобина в крови взрослого человека представляет собой тетрамер α2β2 (Нb-А).

В геноме человека гены гемоглобина расположены двумя кластерами: все α-подобные гены собраны в хромосоме 16, в то время как все β-подобные гены — в хромосоме 11. В каждом кластере есть псевдогены.

Интересно, что данные гены вдоль по хромосоме расположены в том порядке, в каком они включаются в работу в ходе онтогенеза, но функционально (по типу оперона) они никак не связаны.

Организация генов 18S и 28S рРНК у всех эукариот в общих чертах одинаковая. Гены 18S и 28S рРНК, лидерная последовательность, а также транскрибируемый и нетранскрибируемый спейсеры составляют единицу длиной около 11 тпн, которая повторена несколько сот раз.

Как правило, число копий варьирует в пределах от 100 до 1000: у дрожжей — 140 повторов, у дрозофилы — 200-250, у человека — 1250.

Участок ДНК между генами 18S и 28S транскрибируется вместе с этими генами и называется транскрибируемым спейсером. В нем расположены короткие последовательности, которые выделяются из общего транскрипта в ходе процессинга РНК. У млекопитающих и амфибий в коротком спейсере формируется 5,8S РНК — небольшая молекула, образующая водородную связь с 28S рРНК в рибосоме.

Еще один пример – кластер гистоновых генов у дрозофилы. Его длина составляет примерно 500 тпн (100 повторов единицы около 5 тпн с пятью генами в каждой). Отдельные гены в пределах повторенной единицы транскрибируются в противоположных направлениях (т. е. с разных цепей ДНК).

У другого вида насекомых — хирономуса (Chironomus thummi) эти же пять гистоновых генов также составляют кластер. И у этого вида гены, расположенные в кластере, могут считываться с разных цепей.

Гены, контролирующие развитие крупных частей тела (гомеозисные гены) дрозофилы, собраны в кластеры. Их называют комплексами. Головная капсула дрозофилы формируется в результате активности генов комплекса Апtennapedia (Antp-C), брюшная часть — генами комплекса Bithorax (BX-C).