Количественные особенности генома эукариот

Главная количественная особенность генетического материала эукариот – наличие избыточной ДНК. Этот факт легко выявляется при анализе отношения числа генов к количеству ДНК в геноме бактерий и млекопитающих. Если средний размер гена бактерий 1500 пар нуклеотидов (п.н.), а длина кольцевой молекулы ДНК хромосомы Е. coliи В. subtilis составляет свыше 1 мм, то в такой хромо­соме могут разместиться около 3 тысяч генов. Примерно такое число генов было экспериментально определено у бактерий по числу типов иРНК. Если это число умножить на средний размер гена, то получится, что около 95% генома бактерий состоит из кодирующих (генных) последовательностей. Остальные 5%, по-видимому, заняты регуляторными элементами. Иная картина наблюдается у эукариотических организмов. Например, у человека насчитывают приблизительно 50 тысяч генов (имеется в виду только суммарная длина кодирующих участков ДНК – экзонов). В то же время размер генома человека 3×10⁹ (три миллиарда) п.н. Это означает, что кодирующая часть его генома составляет всего 15…20 % от тотальной ДНК. Существует значитель­ное число видов, геном которых в десятки раз больше ге­нома человека, например некоторые рыбы, хвостатые амфибии, лилейные. Избыточная ДНК характерна для всех эукариот. В этой связи необходимо подчеркнуть не­однозначность терминов генотип и геном. Под генотипом следует понимать совокупность генов, имеющих фенотипическое проявление, тогда как понятие генома обозначает количество ДНК, находящееся в гаплоидном наборе хро­мосом данного вида

4.История изучения структуры гена.

Современное представление о структуре гена, его функционировании, регуляции его активности складывалось во второй половине XX века. Важными вехами на этом пути стали;
• открытие двухспиральной структуры ДНК;
• выделение РНК и выяснение ее роли в передаче наследственной информации от ДНК к РНК и белку;
• расшифровка генетического кода.

В 1961 г. М. Ниренберг и Дж. Матеи открыли кодирующие свойства синтетических полирибонуклеотидов в бесклеточных системах трансляции. Было показано, что UUU кодирует фенилаланин, AAA —лизин, ССС - пролин. В 1964 г. генетический код был расшифрован полностью. Стало очевидно, что ген представляет собой определенную последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК.

При этом каждые три основания в цепи ДНК кодируют одну аминокислоту в соответствующих полипептидных цепях,

В отличие от генов, кодирующих белки, процесс считывания информации с генов рибосомной РНК (рРНК) и транспортной РНК (тРНК) заканчивается на их транскрипции. С 1966 г. методом гибридизации ДНК с радиоактивно меченной РНК изучалась локализация генов рРНК у ряда объектов. Оказалось, что локусы рибосомных генов 18S и 28S чаще расположены в гетерохроматиновых прицентромерной и теломерной областях хромосом, У человека рибосомные гены картируются в коротких плечах акроцентрических хромосом. Гены JS-pPHK, как правило, выявляются в различных хромосомах и вне ядрышкового организатора.

Во второй половине 70-х гг. появились данные о локализации генов тРН К у Е. coli, дрожжей, Xenopus laevis, Drosophita melanogaster. Гены, кодирующие рибосомную и транспортную РНК были отнесены к генам «домашнего хозяйства», поскольку работают в каждой клетке и необходимы для поддержания ее жизнеспособности. Однако в отличие от генов рРНК, гены тРН К диспергированы по геному.

Бурное развитие молекулярной биологии, появление новых методов и приборов, в частности секвенаторов, сделало возможным изучение структуры генов у эукаритов.

Первыми в конце 70-х гг. были расшифрованы нуклеотидные последовательности глобиновых генов человека. Оказалось, что эукариотические гены устроены сложнее, чем гены прокариотов. Они имеют мозаичную структуру и состоят из кодирующих участков - экзонов и расположенных между ними некодируюших областей - нитронов. При транскрипции ДНК считывается целиком, а затем образовавшаяся пре-мРНК подвергается созреванию (процессингу); участки РНК транскрибированные с интронов, вырезаются, а участки РНК, ситезированные на экзонах, сшиваются (сплайсинг), Наряду с последовательным вырезанием интронов, существует eute и альтернативный сплайсинг, в результате которого экзоны одного гена соединяются в разных комбинациях с образованием различных зрелых мРНК.

Это явление в корне изменило представление о гене, как единице наследственности, кодирующей только одггу полипептид>гую цепь. Вот почему в современной генетической литературе нет единого общепринятого определения термина «ген». Так, в основу одних определений положена структурная организация гена, других — функция в организме, в третьих определениях - ген рассматривается как единица в процессе транскрипции, а четвертых — к перечисленным функциям добавляется возможность транскрипции с одного гена нескольких вариантов мРН К. Мы предлагаем расширенное определение термина «ген» с учетом его структурных и функциональных особенностей.

Структурный ген — это участок ДИК или РНК (у некоторых вирусов), определяющий линейную последовательность полипептидной цепи или одной молекулы тРНК или рРНК. За счет разных рамок считывания, альтернативного сплайсинга и различных промоторов с одного гена могут быть транскрибированы несколько мРНК, выполняющих сходные иди различные функции.