stringtranslate.com

Структура гена

Структура гена — это организация специализированных элементов последовательности внутри гена . Гены содержат большую часть информации, необходимой для выживания и размножения живых клеток . [1] [2] У большинства организмов гены состоят из ДНК, где конкретная последовательность ДНК определяет функцию гена. Ген транскрибируется ( копируется) из ДНК в РНК , которая может быть либо некодирующей ( нкРНК ) с прямой функцией, либо промежуточной мессенджерной ( мРНК ), которая затем транслируется в белок . Каждый из этих шагов контролируется определенными элементами последовательности или областями внутри гена. Таким образом, для функционирования каждого гена требуется несколько элементов последовательности. [2] Это включает в себя последовательность, которая фактически кодирует функциональный белок или нкРНК, а также несколько областей регуляторной последовательности . Эти области могут быть как короткими, так и состоять из нескольких пар оснований , и до многих тысяч пар оснований.

Большая часть структуры генов эукариот и прокариот в целом схожа . Эти общие элементы в значительной степени являются результатом общего происхождения клеточной жизни в организмах более 2 миллиардов лет назад. [3] Ключевые различия в структуре генов эукариот и прокариот отражают их расходящиеся механизмы транскрипции и трансляции. [4] [5] Понимание структуры генов является основой понимания аннотации генов , их экспрессии и функции . [6]

Общие черты

Структуры как эукариотических, так и прокариотических генов включают несколько вложенных элементов последовательности. Каждый элемент имеет определенную функцию в многоступенчатом процессе экспрессии генов . Последовательности и длины этих элементов различаются, но в большинстве генов присутствуют одни и те же общие функции. [2] Хотя ДНК является двухцепочечной молекулой, обычно только одна из цепей кодирует информацию, которую считывает РНК-полимераза для получения кодирующей белок мРНК или некодирующей РНК. Эта «смысловая» или «кодирующая» цепь проходит в направлении от 5' до 3', где числа относятся к атомам углерода рибозного сахара остова . Поэтому открытая рамка считывания (ORF) гена обычно представлена ​​в виде стрелки, указывающей направление, в котором считывается смысловая цепь. [7]

Регуляторные последовательности расположены на концах генов. Эти области последовательности могут быть либо рядом с транскрибируемой областью ( промотором ), либо разделены многими тысячами пар оснований ( энхансерами и сайленсерами ). [8] Промотор расположен на 5'-конце гена и состоит из основной промотерной последовательности и проксимальной промотерной последовательности. Основной промотор отмечает стартовую площадку для транскрипции, связывая РНК-полимеразу и другие белки, необходимые для копирования ДНК в РНК. Проксимальная область промотера связывает факторы транскрипции , которые изменяют сродство основного промотера к РНК-полимеразе. [9] [10] Гены могут регулироваться множественными последовательностями энхансеров и сайленсеров, которые дополнительно изменяют активность промоторов, связывая активаторные или репрессорные белки. [11] [12] Энхансеры и сайленсеры могут быть расположены на расстоянии от гена, на расстоянии многих тысяч пар оснований. Таким образом, связывание различных факторов транскрипции регулирует скорость инициации транскрипции в разное время и в разных клетках. [13]

Регуляторные элементы могут перекрывать друг друга, при этом участок ДНК может взаимодействовать со многими конкурирующими активаторами и репрессорами, а также с РНК-полимеразой. Например, некоторые белки-репрессоры могут связываться с основным промотором, чтобы предотвратить связывание полимеразы. [14] Для генов с несколькими регуляторными последовательностями скорость транскрипции является произведением всех объединенных элементов. [15] Связывание активаторов и репрессоров с несколькими регуляторными последовательностями оказывает кооперативное влияние на инициацию транскрипции. [16]

Хотя все организмы используют как активаторы транскрипции, так и репрессоры, эукариотические гены считаются «выключенными по умолчанию», тогда как прокариотические гены «включенными по умолчанию». [5] Основной промотор эукариотических генов обычно требует дополнительной активации промоторными элементами для осуществления экспрессии. Основной промотор прокариотических генов, наоборот, достаточен для сильной экспрессии и регулируется репрессорами. [5]


Дополнительный уровень регуляции происходит для генов, кодирующих белок, после того, как мРНК была обработана для подготовки ее к трансляции в белок. Только область между стартовым и стоп - кодонами кодирует конечный белковый продукт. Фланговые нетранслируемые области (UTR) содержат дополнительные регуляторные последовательности. [18] 3 ' UTR содержит терминаторную последовательность, которая отмечает конечную точку транскрипции и высвобождает РНК-полимеразу. [19] 5 ' UTR связывает рибосому , которая транслирует белок-кодирующую область в цепочку аминокислот , которые сворачиваются , образуя конечный белковый продукт. В случае генов для некодирующих РНК РНК не транслируется, а вместо этого сворачивается, чтобы стать непосредственно функциональной. [20] [21]

Эукариоты

Структура эукариотических генов включает особенности, не встречающиеся у прокариот. Большинство из них связаны с посттранскрипционной модификацией пре-мРНК для получения зрелой мРНК, готовой к трансляции в белок. Эукариотические гены обычно имеют больше регуляторных элементов для контроля экспрессии генов по сравнению с прокариотами. [5] Это особенно верно для многоклеточных эукариот, например, людей, где экспрессия генов сильно различается в разных тканях . [11]

Ключевой особенностью структуры эукариотических генов является то, что их транскрипты обычно подразделяются на экзонные и интронные области. Экзонные области сохраняются в конечной зрелой молекуле мРНК , в то время как интронные области сплайсируются ( вырезаются) во время посттранскрипционной обработки. [22] Действительно, интронные области гена могут быть значительно длиннее экзонных областей. После сплайсинга экзоны образуют одну непрерывную белок-кодирующую область, и границы сплайсинга не обнаруживаются. Эукариотическая посттранскрипционная обработка также добавляет 5' -кэп к началу мРНК и полиаденозиновый хвост к концу мРНК. Эти дополнения стабилизируют мРНК и направляют ее транспорт из ядра в цитоплазму , хотя ни одна из этих особенностей напрямую не закодирована в структуре гена. [18]

Прокариоты

Общая организация прокариотических генов заметно отличается от таковой у эукариот. Наиболее очевидным отличием является то, что прокариотические ORF часто группируются в полицистронный оперон под контролем общего набора регуляторных последовательностей. Все эти ORF транскрибируются на одну и ту же мРНК и, таким образом, корегулируются и часто выполняют связанные функции. [23] [24] Каждая ORF обычно имеет свой собственный сайт связывания рибосомы (RBS), так что рибосомы одновременно транслируют ORF на одной и той же мРНК. Некоторые опероны также демонстрируют трансляционную связь, когда скорости трансляции нескольких ORF в пределах оперона связаны. [25] Это может происходить, когда рибосома остается прикрепленной к концу ORF и просто транслоцируется к следующей без необходимости в новой RBS. [26] Трансляционная связь также наблюдается, когда трансляция ORF влияет на доступность следующей RBS через изменения во вторичной структуре РНК. [27] Наличие нескольких ORF на одной мРНК возможно только у прокариот, поскольку их транскрипция и трансляция происходят в одно и то же время и в одном и том же субклеточном месте. [23] [28]

Последовательность оператора рядом с промотором является основным регуляторным элементом у прокариот. Репрессорные белки, связанные с последовательностью оператора, физически блокируют фермент РНК-полимеразу, предотвращая транскрипцию. [29] [30] Рибосвитчи являются еще одной важной регуляторной последовательностью, обычно присутствующей в прокариотических UTR. Эти последовательности переключаются между альтернативными вторичными структурами в РНК в зависимости от концентрации ключевых метаболитов . Затем вторичные структуры либо блокируют, либо раскрывают важные области последовательности, такие как RBS. Интроны чрезвычайно редки у прокариот и, следовательно, не играют существенной роли в регуляции прокариотических генов. [31]

Ссылки

Эта статья была адаптирована из следующего источника по лицензии CC BY 4.0 (2017) (отчеты рецензента): Thomas Shafee; Rohan Lowe (17 января 2017 г.). "Eukaryotic and prokaryotic gene structure" (PDF) . WikiJournal of Medicine . 4 (1). doi : 10.15347/WJM/2017.002 . ISSN  2002-4436. Wikidata  Q28867140.

  1. ^ Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин; Робертс, Кейт; Уолтер, Питер (2002). «Как работают генетические переключатели». Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Garland Science.
  2. ^ abc Поляк, Корнелия; Мейерсон, Мэтью (2003). «Обзор: Структура гена». Cancer Medicine (6-е изд.). BC Decker.
  3. ^ Вернер, Финн; Громанн, Дина (2011). «Эволюция многосубъединичных РНК-полимераз в трех доменах жизни». Nature Reviews Microbiology . 9 (2): 85–98. doi :10.1038/nrmicro2507. ISSN  1740-1526. PMID  21233849. S2CID  30004345.
  4. ^ Козак, Мэрилин (1999). «Инициация трансляции у прокариот и эукариот». Gene . 234 (2): 187–208. doi :10.1016/S0378-1119(99)00210-3. ISSN  0378-1119. PMID  10395892.
  5. ^ abcd Struhl, Kevin (1999). «Фундаментально различная логика регуляции генов у эукариот и прокариот». Cell . 98 (1): 1–4. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80599-1 . ISSN  0092-8674. PMID  10412974. S2CID  12411218.
  6. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2002). Молекулярная биология клетки (четвертое издание). Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  7. ^ Lu, G. (2004). «Vector NTI, сбалансированный комплексный набор для анализа последовательностей». Briefings in Bioinformatics . 5 (4): 378–88. doi : 10.1093/bib/5.4.378 . ISSN  1467-5463. PMID  15606974.
  8. ^ Wiper-Bergeron, Nadine; Skerjanc, Ilona S. (2009). «Транскрипция и контроль экспрессии генов». Биоинформатика для системной биологии . Humana Press. стр. 33–49. doi :10.1007/978-1-59745-440-7_2. ISBN 978-1-59745-440-7.
  9. ^ Томас, Мэри К.; Чианг, Ченг-Мин (2008). «Общая транскрипционная машина и общие кофакторы». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 41 (3): 105–78. CiteSeerX 10.1.1.376.5724 . doi :10.1080/10409230600648736. ISSN  1040-9238. PMID  16858867. S2CID  13073440. 
  10. ^ Ювен-Гершон, Тамар; Сюй, Джер-Юань; Тайзен, Джошуа ВМ; Кадонага, Джеймс Т. (2008). «Основной промотор РНК-полимеразы II - путь к транскрипции». Современное мнение в области клеточной биологии . 20 (3): 253–59. doi :10.1016/j.ceb.2008.03.003. ISSN  0955-0674. ПМК 2586601 . ПМИД  18436437. 
  11. ^ ab Мастон, Гленн А.; Эванс, Сара К.; Грин, Майкл Р. (2006). «Транскрипционные регуляторные элементы в геноме человека». Annual Review of Genomics and Human Genetics . 7 (1): 29–59. doi : 10.1146/annurev.genom.7.080505.115623 . ISSN  1527-8204. PMID  16719718. S2CID  12346247.
  12. ^ Пеннаккио, LA; Бикмор, W.; Дин, A.; Нобрега, MA; Бежерано, G. (2013). «Усилители: пять основных вопросов». Nature Reviews Genetics . 14 (4): 288–95. doi :10.1038/nrg3458. PMC 4445073. PMID 23503198  . 
  13. ^ Maston, GA; Evans, SK; Green, MR (2006). «Транскрипционные регуляторные элементы в геноме человека». Annual Review of Genomics and Human Genetics . 7 : 29–59. doi : 10.1146/annurev.genom.7.080505.115623 . PMID  16719718. S2CID  12346247.
  14. ^ Огборн, Стивен; Анталис, Тони М. (1998). «Транскрипционный контроль и роль сайленсеров в регуляции транскрипции у эукариот». Biochemical Journal . 331 (1): 1–14. doi :10.1042/bj3310001. ISSN  0264-6021. PMC 1219314 . PMID  9512455. 
  15. ^ Buchler, NE; Gerland, U.; Hwa, T. (2003). «О схемах комбинаторной транскрипционной логики». Труды Национальной академии наук . 100 (9): 5136–41. Bibcode : 2003PNAS..100.5136B. doi : 10.1073/pnas.0930314100 . ISSN  0027-8424. PMC 404558. PMID 12702751  . 
  16. ^ Kazemian, M.; Pham, H.; Wolfe, SA; Brodsky, MH; Sinha, S. (11 июля 2013 г.). «Широкое распространение доказательств кооперативного связывания ДНК факторами транскрипции в развитии Drosophila». Nucleic Acids Research . 41 (17): 8237–52. doi :10.1093/nar/gkt598. PMC 3783179. PMID  23847101 . 
  17. ^ ab Шафи, Томас; Лоу, Рохан (2017). «Структура эукариотических и прокариотических генов». WikiJournal of Medicine . 4 (1). doi : 10.15347/wjm/2017.002 . ISSN  2002-4436.
  18. ^ ab Guhaniyogi, Jayita; Brewer, Gary (2001). «Регулирование стабильности мРНК в клетках млекопитающих». Gene . 265 (1–2): 11–23. doi :10.1016/S0378-1119(01)00350-X. ISSN  0378-1119. PMID  11255003.
  19. ^ Кюнер, Джейсон Н.; Пирсон, Эрика Л.; Мур, Клэр (2011). «Раскрытие средств для достижения цели: терминация транскрипции РНК-полимеразы II». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 12 (5): 283–94. doi :10.1038/nrm3098. ISSN  1471-0072. PMC 6995273. PMID 21487437  . 
  20. ^ Мэттик, Дж. С. (2006). «Некодирующая РНК». Молекулярная генетика человека . 15 (90001): R17–R29. doi : 10.1093/hmg/ddl046 . ISSN  0964-6906. PMID  16651366.
  21. ^ Палаццо, Александр Ф.; Ли, Элиза С. (2015). «Некодирующая РНК: что функционально, а что мусор?». Frontiers in Genetics . 6 : 2. doi : 10.3389/fgene.2015.00002 . ISSN  1664-8021. PMC 4306305. PMID 25674102  . 
  22. ^ Matera, A. Gregory; Wang, Zefeng (2014). «День из жизни сплайсосомы». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 15 (2): 108–21. doi :10.1038/nrm3742. ISSN  1471-0072. PMC 4060434. PMID  24452469 . 
  23. ^ ab Salgado, H.; Moreno-Hagelsieb, G.; Smith, T.; Collado-Vides, J. (2000). «Опероны в Escherichia coli: геномный анализ и предсказания». Труды Национальной академии наук . 97 (12): 6652–57. Bibcode : 2000PNAS...97.6652S. doi : 10.1073/pnas.110147297 . PMC 18690. PMID  10823905 . 
  24. ^ Jacob, F.; Monod, J. (1961-06-01). «Генетические регуляторные механизмы синтеза белков». Журнал молекулярной биологии . 3 (3): 318–56. doi :10.1016/s0022-2836(61)80072-7. ISSN  0022-2836. PMID  13718526. S2CID  19804795.
  25. ^ Тиан, Тиан; Салис, Говард М. (2015). «Прогностическая биофизическая модель трансляционной связи для координации и контроля экспрессии белков в бактериальных оперонах». Nucleic Acids Research . 43 (14): 7137–51. doi :10.1093/nar/gkv635. ISSN  0305-1048. PMC 4538824. PMID 26117546  . 
  26. ^ Schümperli, Daniel; McKenney, Keith; Sobieski, Donna A.; Rosenberg, Martin (1982). «Трансляционное сцепление на межцистронной границе галактозного оперона Escherichia coli». Cell . 30 (3): 865–71. doi :10.1016/0092-8674(82)90291-4. ISSN  0092-8674. PMID  6754091. S2CID  31496240.
  27. ^ Левин-Карп, Айелет; Баренхольц, Ури; Барейя, Тасним; Даяги, Михал; Зелчбух, Лиор; Антоновский, Нив; Нур, Элад; Мило, Рон (2013). «Количественная оценка трансляционной связи в синтетических оперонах E. coli с использованием модуляции RBS и флуоресцентных репортеров». ACS Synthetic Biology . 2 (6): 327–36. doi :10.1021/sb400002n. ISSN  2161-5063. PMID  23654261. S2CID  63692.
  28. ^ Льюис, Митчелл (июнь 2005 г.). «Лак-репрессор». Comptes Rendus Biology . 328 (6): 521–48. doi :10.1016/j.crvi.2005.04.004. ПМИД  15950160.
  29. ^ МакКлур, У. Р. (1985). «Механизм и контроль инициации транскрипции у прокариот». Annual Review of Biochemistry . 54 (1): 171–204. doi :10.1146/annurev.bi.54.070185.001131. ISSN  0066-4154. PMID  3896120.
  30. ^ Белл, Чарльз Э.; Льюис, Митчелл (2001). «Репрессор Lac: второе поколение структурных и функциональных исследований». Current Opinion in Structural Biology . 11 (1): 19–25. doi :10.1016/S0959-440X(00)00180-9. ISSN  0959-440X. PMID  11179887.
  31. ^ Родригес-Треллес, Франциско; Таррио, Роза; Аяла, Франсиско Дж. (2006). «Происхождение и эволюция сплайсосомных интронов». Ежегодный обзор генетики . 40 (1): 47–76. doi : 10.1146/annurev.genet.40.110405.090625. ISSN  0066-4197. ПМИД  17094737.

Внешние ссылки