Gen
zawiera instrukcję dotyczącą syntezy polipeptydu lub cząsteczki
strukturalnego RNA.
W
sensie fizycznym jest odcinkiem DNA o określonej sekwencji
nukleotydów kodującym sekwencje aminokwasów polipeptydu lub tylko
nukleotydów w RNA.
Wielkość
genów jest różna i waha się od 100pz do kilku milionów pz.
U
bakterii geny
tworzą zespoły
(operony),
a u Euc. większość
jest rozproszona lub tworzą
tzw. rodziny
wielogenowe
Rodziny
wielogenowe
nie podlegają wspólnej regulacji,
mogą
być proste lub złożone.
Rodziny
wielogenowe u Euc.
Proste
zawierają geny identyczne
Wielogenowe
rodziny złożone składają się z genów podobnych
ale nie identycznych, jak np. geny kodujące różne cząsteczki
globin różniące się między sobą tylko pojedynczym aminokwasem.
U E. informacja kodująca w
genach
zapisana jest w segmentach sekwencji nukleotydów zwanych eksonami,
a które są porozdzielane od siebie sekwencjami niekodującymi –
intronami.
Ekson
zawiera sekwencje, które po transkrypcji uczestniczą w translacji,
w
intronach sekwencje nie uczestniczą w translacji, są wycinane po
transkrypcji z pre-mRNA.
Geny u
Eucaryota
większość
genów ma budowę nieciągłą,
poza genemi histonów,
genami
białek szoku cieplnego
i
niektórych interferonów.
Geny
z intronami i egzonami nazywa się mozaikowymi
lub
genami nieciągłymi.
Obecnie
przyjmuje się, że mozaikowa organizacja genów była pierwotna,
a
ciągłe geny-bezintronowe są zjawiskiem wtórnym.
geny u
E. i są to tzw. geny podzielone, u P. – geny ciągłe
Poszczególne
geny różnią się:
długością – liczbą pz
liczbą i długością intronów
Liczba
intronów w różnych genach mieści się w granicach od 0 do ponad
50.
Najmniejszy
gen u człowieka -
z
1 eksonu liczącego
669pz
koduje
białko,
które kieruje różnicowaniem gonady pierwotnej w kierunku jąder.
w
genie kodującym u nas dystrofinę jest ich aż 78 i jest to nasz
najdłuższy gen
(2,5mln
pz koduje 3 685 aminokwasów
i stanowi 0,6% dł. całego genu).
Geny RNA
Geny,
które kodują cząsteczki funkcjonalnego RNA (tRNA lub rRNA),
również
mogą zawierać introny,
ale
przerwy te występują zdecydowanie rzadziej niż w genach
kodujących mRNA.
W
wielu genach ilość DNA w intronach przewyższa ilość DNA
eksonów,
może
go być dziesięć razy więcej,
a
w niektórych przypadkach nawet ponad sto razy więcej.
Specyficzna
budowa ludzkich genów sprawia, że dzięki wykorzystaniu instrukcji
zapisanych w poszczególnych eksonach w różny sposób te
same geny mogą kierować produkcją różnych białek.
W skład
genu wchodzą sekwencje początkowe i końcowe genu,
które
ulegają transkrypcji, ale nie podlegają translacji, w tym
sekwencje
promotorowe,
Czyli
sekwencje związane z procesem inicjacji transkrypcji genu.
Na końcu
5’ i 3’ znajdują się sekwencje
związane
z rozpoczęciem obróbki potranskrypcyjnej pre-mRNA
Nazywa
się je sekwencjami UTR
(Untranslations)
Ekspresja
genu jest ściśle regulowana przez sekwencje położone powyżej
sekwencji kodującej i jest to:
miejsce
wiązania polimerazy RNA,
miejsce
wiązania niezbędnych
czynników transkrypcyjnych
oraz
miejsce PROMOTORA czyli inicjacji syntezy cząsteczki RNA.
Sekwencje
promotorowe
Sekwencje
te mogą być b. liczne w niektórych genach,
dzieli
się je na sekwencje
promotora podstawowego
– położone w miejscu składania kompleksu inicjacyjnego
oraz
na sekwencje
położone powyżej promotora podstawowego.
Każda
z trzech eukariotycznych polimeraz RNA zależnych od DNA rozpoznaje
różne sekwencje promotorowe
i
to właśnie różnice pomiędzy promotorami decydują o tym, która
polimeraza RNA zależna od DNA przeprowadza transkrypcję których
genów.
Każda
polimeraza RNA wykorzystuje promotor innego typu.
U kręgowców
wyróżnia się trzy różniące się strukturą typy promotorów:
1.Promotory
rozpoznawane przez polimerazę
RNA I
składają się z promotora
podstawowego,
który
obejmuje miejsce startu transkrypcji położonego między
nukleotydami –45 a +20 - sekwencje te warunkują zajście
transkrypcji
oraz
elementu
kontrolnego UCE
(Upstream
Control Element)
znajdującego się +100 pz powyżej miejsca startu (czyli przed
miejscem startu)
Polim
RNA I (RNA Pol I) transkrybuje większość genów rRNA, znajduje
się w jąderku.
2.
Promotory rozpoznawane przez polimerazę RNA II
są
b. różne i znajdują się w odległości do kilku tys. pz powyżej
miejsca startu transkrypcji.
Promotor
podstawowy składa się z dwóch segmentów:
z
bloku –25 zwanego sekwencją TATA lub kasetą TATA i z sekwencji
inicjatorowej – Inr
Do
pełnej aktywności promotora niezbędne są inne sekwencje
występujące w rejonie od -40 do -110.
W
56% genów są sekwencje bogate w pary CG powtarzane wielokrotnie i
są nazywane wysepkami CpG, są
ważnym elementem w inicjacji transkrypcji.
Sekwencje
CCAAAT w odległości 70-90pz od miejsca inicjacji transkrypcji
położone przed blokiem TATA są również ważne w transkrypcji,
są
miejscem wiązania innych czynników transkrypcyjnych.
Polim
RNA II (RNA Pol II) transkrybuje wszystkie geny kodujące białka i
niektóre geny małych jądrowych RNA (snRNA-small nuclear RNA),
znajduje się w nukleoplaźmie
Obszar
promotorowy genu znajduje się na jego 5' końcu i zawiera kilka
istotnych rejonów rozpoznawanych przez polimerazę RNA oraz czynniki
transkrypcyjne
najbardziej
powszechnym jest kaseta TATA ( tzw. TATA-box ).
Jest
to 7-nukleotydowa sekwencja położona w odległości ok. 25 p.z. od
miejsca startu transkrypcji, która w pełni prezentuje się
następująco: 5'- TATAAAA -3'.
Obecność
kasety TATA, choć niezbędna w przypadku prawie wszystkich genów;
nie jest wystarczająca, aby z promotora ruszyła transkrypcja.
Kaseta TATA stanowi tzw. część rdzeniową promotora.
W
56% genów są sekwencje bogate w pary CG powtarzane wielokrotnie i
są nazywane wysepkami CpG, są
ważnym elementem w inicjacji transkrypcji.
Rejony
rozpoznawane przez polimerazę II RNA
3.
Promotory dla polimerazy
RNA III
są nietypowe, gdyż znajdują się wewnątrz genów i znacznie się
różnią.
Ich
element podstawowy to sekwencja licząca od 50 do 100pz podzielone
na dwa bloki.
Polim
III (RNA Pol III) transkrybuje geny tRNA, 5S rRNA, kilka snRNA,
znajduje się w nukleoplaźmie
Wiele
genów zawiera dodatkowe sekwencje
Są
one położone
w różnych odległościach od genów, ale mimo nawet znacznej
odległości gen pozostaje zawsze pod ich kontrolą i są to:
sekwencje
wzmacniające ehnacerowe,
które
znacznie stymulują transkrypcję i znajdują się poza miejscem
promotorowym,
wyciszające
silencerowe,
które
hamują transkrypcję.
Sekwencje
terminacji – takie
znaczenie mają sewkencje palindromowe
Enhancery
enhancery
tkankowo-specyficzne wzmagające transkrypcję tylko tam, gdzie
obecne są białka wiążące się w ich obrębie
tylko
w niektórych komórkach wykazują aktywność wzmacniającą
Możliwość
oddziaływań enhancer : promotor mimo odległości pomiędzy nimi
wynoszącej niekiedy kilka tys. p.z. istnieje dzięki dużej
elastyczności nici DNA. Owa elastyczność objawia się zdolnością
DNA do dowolnego wyginania się.
Interakcje
enhancer : promotor
Silencery
- (ang. silence - cisza ),
sekwencje
służące wyciszeniu aktywności promotora; podobnie jak enhancery
mogą być w różnym stopniu oddalone od genu w obu kierunkach, a
także występować w jego wnętrzu.
Np.
w genach kodujących immunoglobuliny (białka syntetyzowane jedynie
w limfocytach B) silencer wbudowany jest w obrębie enhancera, jego
znaczenie uwidocznia się w komórkach innych niż limfocyty B. Jest
to swoiste zabezpieczenie przed ekspresją genów immunoglobulin
związane z inaktywacją enhancera.
BUDOWA
GENÓW
Struktura
genu prokariotycznego
Promotor
(przed miejscem inicjacji transkrypcji) zawiera dwie ramki:
+10 (AT)
+35
(TTGACA)
Obie
ramki są miejscami wiązania polimerazy RNA zależnej od DNA.
Struktura
genu prokariotycznego
Cistron
jednostka
spełniająca funkcję biochemiczną,
której
ekspresja prowadzi do powstania pojedynczego łańcucha
polipeptydowego
składa
się z kilku tysięcy par nukleotydów, może zostać podzielony na
mniejsze części.