Кодирующий регион
Кодирующая область гена ( , также известная как кодирующая последовательность ) CDS , представляет собой часть ДНК или РНК гена , которая кодирует белок . [ 1 ] Изучение длины, состава, регуляции, сплайсинга, структур и функций кодирующих областей по сравнению с некодирующими областями в течение разных видов и периодов времени может предоставить значительную важную информацию о организации генов и эволюции прокариот и эукариотов . [ 2 ] Это может еще больше помочь в картировании генома человека и развитии генной терапии. [ 3 ]
Определение
[ редактировать ]Хотя этот термин также иногда используется взаимозаменяемо с экзоном , это не то же самое: экзон состоит из кодирующей области, а также 3 'и 5' нетранслируемых областей РНК, и поэтому экзон был бы Частично состоит из регионов кодирования. 3 'и 5' нетранслируемые области РНК, которые не кодируются для белка, называются некодирующими областями и не обсуждаются на этой странице. [ 4 ]
Часто существует путаница между регионами кодирования и экзомами , и между этими терминами существует четкое различие. В то время как экзом относится ко всем экзонами в геноме, область кодирования относится к единственному участку ДНК или РНК, которая специфически кодирует определенный вид белка.
История
[ редактировать ]В 1978 году Уолтер Гилберт опубликовал «Почему гены в кусках», которые впервые начали изучать идею о том, что ген является мозаикой-что каждая полная цепь нуклеиновой кислоты не кодируется непрерывно, но прерывается «молчаливыми» некодирующими областями. Это было первым признаком того, что между частями генома, которые кодируют белок, должны быть различие, которые теперь называются кодирующими областями, и теми, которые этого не делают. [ 5 ]
Композиция
[ редактировать ]
Данные свидетельствуют о том, что существует общая взаимозависимость между моделями базового состава и доступностью области кодирования. [ 6 ] Считается, что область кодирования содержит более высокий GC-контент, чем некодирующие области. Существуют дальнейшие исследования, которые обнаружили, что чем дольше нить кодирования, тем выше контент GC. Короткие нити кодирования являются сравнительно все еще плотными GC, похожими на низкий GC-контент базового композиции трансляционных стоп-кодонов, таких как TAG, TAA и TGA. [ 7 ]
Области, богатые GC, также находятся там, где тип мутации точки отношения слегка изменяется: существует больше переходов , которые представляют собой изменения от пурина до пурина или пиримидина до пиримидина, по сравнению с трансверсиями , которые являются изменениями от пурина до пиримидина или пиримидина до пурина. Переходы с меньшей вероятностью изменят кодируемую аминокислоту и остаются тихий мутацией (особенно если они встречаются в третьем нуклеотиде кодона), которая обычно полезна для организма во время трансляции и образования белка. [ 8 ]
Это указывает на то, что основные области кодирования (богатые генами) выше в GC-контента, более стабильны и устойчивы к мутации по сравнению с аксессуарами и неосведомленными областями (бедный ген). [ 9 ] Тем не менее, до сих пор неясно, произошло ли это через нейтральную и случайную мутацию или через схему отбора . [ 10 ] Существуют также дебаты о том, являются ли используемые методы, такие как генные окна, чтобы установить взаимосвязь между GC-контентом и областью кодирования точными и беспристрастными. [ 11 ]
Структура и функция
[ редактировать ]
В ДНК кодирующая область окружает промоторную последовательность на 5 -дюймовом конце цепи шаблона и последовательности завершения на 3 'END. Во время транскрипции РНК -полимераза (RNAP) связывается с промоторной последовательности и перемещается вдоль цепи шаблона в кодирующую область. РНК Затем RNAP добавляет Нурлеотиды , дополненные кодирующей области, чтобы сформировать мРНК , заменяя урацил вместо тимина . [ 12 ] Это продолжается до тех пор, пока RNAP не достигнет последовательности завершения. [ 12 ]
После транскрипции и созревания зрелая мРНК сформированной охватывает несколько частей, важных для его возможной трансляции в белок . Область кодирования в мРНК окружена 5 'нетранслируемой областью (5'-UTR) и 3' нетранслируемой области (3'-UTR), [ 1 ] и 5 'колпачка полиа -хвост . Во время перевода рибосома кодирующей облегчает прикрепление тРНК к области, 3 нуклеотида за раз ( кодоны ). [ 13 ] ТРНК переносят свои связанные аминокислоты в растущую полипептидную цепь, в конечном итоге образуя белок, определенный в начальной области кодирующей ДНК.
Регулирование
[ редактировать ]Область кодирования может быть изменена для регулирования экспрессии генов.
Алкилирование является одной из форм регуляции области кодирования. [ 15 ] Ген, который был бы транскрибирован, может быть замолчать путем нацеливания на определенную последовательность. Основы в этой последовательности будут заблокированы с использованием алкильных групп , которые создают эффект молчания . [ 16 ]
В то время как регуляция экспрессии генов управляет изобилием РНК или белка, изготовленного в клетке, регуляция этих механизмов может контролироваться регуляторной последовательности, обнаруженной до того, как открытая рамка считывания начинается в цепи ДНК. Затем регуляторная последовательность будет определять местоположение и время, которое экспрессия будет происходить для области кодирования белка. [ 17 ]
Сплайсинг РНК в конечном итоге определяет, какая часть последовательности становится переведенной и выраженной, и этот процесс включает в себя вырезание интронов и составление экзонов. Однако, где разреза РНК сплайсосомы руководствуется распознаванием сайтов сплайсинга , в частности, 5 -дюймового сайта сплайсинга, который является одним из субстратов для первого шага в сплайсинге. [ 18 ] Области кодирования находятся в экзонах, которые становятся ковалентно объединенными вместе, чтобы сформировать зрелую РНКсенджера .
Мутации
[ редактировать ]Мутации в кодирующей области могут оказывать очень разнообразное влияние на фенотип организма. Хотя некоторые мутации в этой области ДНК/РНК могут привести к выгодным изменениям, другие могут быть вредными, а иногда даже смертельными для выживания организма. Напротив, изменения в некодирующей области не всегда могут привести к обнаруживаемым изменениям в фенотипе.
Типы мутаций
[ редактировать ]
Существуют различные формы мутаций, которые могут возникнуть в кодирующих областях. Одной формой являются молчаливые мутации , в которых изменение в нуклеотидах не приводит к каким -либо изменению аминокислоты после транскрипции и трансляции. [ 20 ] Существуют также бессмысленные мутации , где базовые изменения в коде кодирующей области для преждевременного стоп -кодона, создавая более короткий конечный белок. Точечные мутации , или изменение одной пары основания в области кодирования, этот код для различных аминокислот во время перевода называется Missense Mutations . Другие типы мутаций включают мутации сдвига кадров, такие как вставки или делеции . [ 20 ]
Формация
[ редактировать ]Некоторые формы мутаций являются наследственными ( мутации зародышевой линии ) или передаются от родителя к его потомству. [ 21 ] Такие мутированные области кодирования присутствуют во всех клетках в организме. Другие формы мутаций приобретаются ( соматические мутации ) в течение жизни организма и могут не быть постоянными клетками к клеткам. [ 21 ] Эти изменения могут быть вызваны мутагенами , канцерогенами или другими агентами окружающей среды (Ex. UV ). Приобретенные мутации также могут быть результатом копий-ошибок во время репликации ДНК и не передаются потомству. Изменения в регионе кодирования также могут быть de novo (новый); Считается, что такие изменения происходят вскоре после оплодотворения , что приводит к мутации, присутствующей в ДНК потомства, когда отсутствует как в сперматозоидах, так и в яичных клетках. [ 21 ]
Профилактика
[ редактировать ]Существует множественные механизмы транскрипции и трансляции, чтобы предотвратить летальность из -за вредных мутаций в области кодирования. Такие меры включают корректуру некоторыми ДНК -полимеразами во время репликации, восстановление несоответствия после репликации, [ 22 ] и « гипотеза колебания », которая описывает вырождение третьего основания в кодоне мРНК. [ 23 ]
Ограниченные области кодирования (CCR)
[ редактировать ]Хотя хорошо известно, что геном одного человека может иметь обширные различия по сравнению с геномом другого, недавние исследования показали, что некоторые кодирующие области сильно ограничены или устойчивы к мутации между людьми одного и того же вида. Это похоже на концепцию межвидового ограничения в консервативных последовательностях . Исследователи назвали эти сильно ограниченные последовательности, ограниченные областями кодирования (CCR), а также обнаружили, что такие области могут быть вовлечены в высокий отбор . В среднем существует приблизительно 1 мутация, изменяющая белок, каждые 7 кодирующих оснований, но некоторые CCR могут иметь более 100 оснований в последовательности без наблюдаемых мутаций, изменяющих белок, некоторые даже без синонимичных мутаций. [ 24 ] Эти паттерны ограничения между геномами могут дать подсказку для источников редких заболеваний развития или, возможно, даже эмбриональной летальности. Клинически подтвержденные варианты и мутации de novo в CCR ранее были связаны с расстройствами, такими как инфантильная эпилептическая энцефалопатия , задержка развития и тяжелые болезни сердца. [ 24 ]
Обнаружение последовательности кодирования
[ редактировать ]
Хотя идентификация открытых кадров считывания в последовательности ДНК является простой, идентификация кодирующих последовательностей не является, потому что клетка переводит только подмножество всех открытых кадров считывания в белки. [ 26 ] В настоящее время прогнозирование CDS использует выборку и секвенирование мРНК из клеток, хотя все еще существует проблема определения того, какие части данной мРНК фактически транслируются в белок. Прогнозирование CDS является подмножеством прогнозирования генов , последнее, включая прогноз последовательностей ДНК, которые кодируют не только белок, но и для других функциональных элементов, таких как гены РНК и регуляторные последовательности.
Как у прокариот так и у эукариот , перекрытие генов происходит относительно часто как у вирусов ДНК, так и в РНК в качестве эволюционного преимущества для уменьшения размера генома, сохраняя при этом способность производить различные белки из доступных кодирующих областей. [ 27 ] [ 28 ] Как для ДНК, так и для РНК, парные выравнивания могут обнаруживать перекрывающиеся области кодирования, включая короткие открытые кадры считывания в вирусах, но потребуют известной нити кодирования для сравнения потенциальной перекрывающейся нити кодирования. [ 29 ] Альтернативный метод с использованием последовательностей одного генома не потребует нескольких последовательностей генома для выполнения сравнений, но потребует не менее 50 нуклеотидов, чтобы быть чувствительными. [ 30 ]
Смотрите также
[ редактировать ]- Кодирующая цепь ДНК -нить, которая кодирует белок
- Экзон всей части нити, которая транскрибируется
- Зрелая мРНК часть продукта транскрипции мРНК, которая переводится
- Структура гена другие элементы, которые составляют ген
- Вложенная гена вся кодирующая последовательность находится в пределах более крупного внешнего гена
- Некодирующие части ДНК геномов, которые не кодируют кодирующие белок гены
- Некодирующие молекулы РНК, которые не кодируют белки, поэтому не имеют компакт-дисков
- Нефункциональные части геномов ДНК без соответствующей биологической функции
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный Twyman, Richard (1 августа 2003 г.). «Структура гена» . Wellcome Trust. Архивировано из оригинала 28 марта 2007 года . Получено 6 апреля 2003 года .
- ^ Höglund M, Säll T, Röhme D (февраль 1990 г.). «О происхождении последовательностей кодирования из случайных открытых кадров чтения». Журнал молекулярной эволюции . 30 (2): 104–108. Bibcode : 1990jmole..30..104H . doi : 10.1007/bf02099936 . ISSN 0022-2844 . S2CID 5978109 .
- ^ Sakharkar MK, Chow VT, Kangueane P (2004). «Распределение экзонов и интронов в человеческом геноме». В Силико биологии . 4 (4): 387–93. PMID 15217358 .
- ^ Парнелл, Лоуренс Д. (2012-01-01). «Достижения в области технологий и дизайна исследования» . В Бушар, C.; Ordovas, JM (ред.). Последние достижения в области нутригенетики и нутригеномики . Тол. 108. Академическая пресса. С. 17–50. doi : 10.1016/b978-0-12-398397-8.00002-2 . ISBN 9780123983978 Полем PMID 22656372 . Получено 2019-11-07 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помощь ) - ^ Гилберт В. (февраль 1978 г.). "Почему гены в кусочках?" Полем Природа . 271 (5645): 501. Bibcode : 1978nater.271..501g . doi : 10.1038/271501A0 . PMID 622185 . S2CID 4216649 .
- ^ Lercher MJ, Urrutia AO, Pavlícek A, Hurst Ld (октябрь 2003 г.). «Объединение мозаичных структур в человеческом геноме» . Молекулярная генетика человека . 12 (19): 2411–5. doi : 10.1093/hmg/ddg251 . PMID 12915446 .
- ^ Оливер Дж.Л., Марин А (сентябрь 1996 г.). «Отношения между содержанием GC и длиной последовательности кодирования». Журнал молекулярной эволюции . 43 (3): 216–23. Bibcode : 1996jmole..43..216o . doi : 10.1007/pl00006080 . PMID 8703087 .
- ^ «Розалинда | Глоссарий | область кодирования генов» . rosalind.info . Получено 2019-10-31 .
- ^ Vinogradov AE (апрель 2003 г.). «DNA Helix: важность быть богатым GC» . Исследование нуклеиновых кислот . 31 (7): 1838–44. doi : 10.1093/nar/gkg296 . PMC 152811 . PMID 12654999 .
- ^ Bohlin J, Eldholm V, Pettersson JH, Brynildsrud O, Snipen L (февраль 2017 г.). «Нуклеотидный состав микробных геномов указывает на дифференциальные паттерны отбора на геномах ядро и вспомогательных аксессуаров» . BMC Genomics . 18 (1): 151. DOI : 10.1186/S12864-017-3543-7 . PMC 5303225 . PMID 28187704 .
- ^ Sémon M, Mouchiroud D, Duret L (февраль 2005 г.). «Связь между экспрессией генов и GC-контентом у млекопитающих: статистическая значимость и биологическая значимость» . Молекулярная генетика человека . 14 (3): 421–7. doi : 10.1093/hmg/ddi038 . PMID 15590696 .
- ^ Jump up to: а беременный Обзор транскрипции. (ND). Получено с https://www.khanacademy.org/science/biology/gene-expression-central-dogma/transcription-of-dna-into-rna/a/overview-of-transcription .
- ^ Клэнси, Сюзанна (2008). «Перевод: ДНК в мРНК в белок» . Scietal: по природе образование .
- ^ Plociam (2005-08-08), английский: структура зрелой эукариотической мРНК. Полностью обработанная мРНК включает в себя 5 'Cap, 5' UTR, кодирующую область, 3 'UTR и поли (A) хвост. Получено 2019-11-19
- ^ Shinohara K, Sasaki S, Minoshima M, Bando T, Sugiyama H (2006-02-13). «Алкилирование шаблонной цепи кодирующей области вызывает эффективное молчание генов» . Исследование нуклеиновых кислот . 34 (4): 1189–95. doi : 10.1093/nar/gkl005 . PMC 1383623 . PMID 16500890 .
- ^ «Термин онтологический термин гена ДНК (GO: 0006305)» . www.informatics.jax.org . Получено 2019-10-30 .
- ^ Shafee T, Lowe R (2017). «Эукариотическая и прокариотическая структура генов» . Викиджурнал медицины . 4 (1). doi : 10.15347/wjm/2017.002 .
- ^ Конарска М.М. (1998). «Распознавание 5 'сайта сплайсинга по шпалам » Acta Biochimica Polonica 45 (4): 869–8 Doi : 10.18388/ abp.1998_4 10397335PMID
- ^ Jonsta247 (2013-05-10), английский: пример тихой мутации , извлеченные 2019-11-19
{{citation}}: CS1 Maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а беременный Ян, Дж. (2016, 23 марта). Что такое генетическая мутация? Получено с https://www.singerinstruments.com/resource/what-are-genetic-mutation/ .
- ^ Jump up to: а беременный в Что такое мутация гена и как происходят мутации? - Genetics Home Ссылка - NIH. (ND). Получено с https://ghr.nlm.nih.gov/primer/mutationsanddisorders/genemute .
- ^ «Корректура и восстановление ДНК (статья)» . Ханская академия . Получено 2023-05-22 .
- ^ Перето Дж. (2011) Гипотеза Woble (Genetics). В: Гарго М. и соавт. (ред.) Энциклопедия астропикологии. Спрингер, Берлин, Хеделберг
- ^ Jump up to: а беременный Havrilla, JM, Pedersen, BS, Layer, RM, & Quinlan, AR (2018). Карта ограниченных областей кодирования в геноме человека. Nature Genetics , 88–95. doi : 10.1101/220814
- ^ Romiguier J, Roux C (2017). «Аналитические смещения, связанные с GC-контентом в молекулярной эволюции» . Front Genet . 8 : 16. doi : 10.3389/fgene.2017.00016 . PMC 5309256 . PMID 28261263 .
- ^ Furuno M, Kasukawa T, Saito R, Adachi J, Suzuki H, Baldarelli R, et al. (Июнь 2003 г.). «Аннотация CDS в полноразмерной последовательности кДНК» . Исследование генома . 13 (6b). Cold Spring Harbor Laboratory Press: 1478–87. doi : 10.1101/gr.1060303 . PMC 403693 . PMID 12819146 .
- ^ Рогозин И.Б., Спиридонов А.Н., Сорокин А.В., Вольф Йи, Джордан Ик, Татусов Р.Л., Кунин Э.В. (май 2002). «Очистить и направлять отбор в перекрывающихся прокариотических генах» . Тенденции в генетике . 18 (5): 228–32. doi : 10.1016/s0168-9525 (02) 02649-5 . PMID 12047938 .
- ^ Chirico N, Vianelli A, Belshaw R (декабрь 2010 г.). «Почему гены перекрываются в вирусах» . Разбирательство. Биологические науки . 277 (1701): 3809–17. doi : 10.1098/rspb.2010.1052 . PMC 2992710 . PMID 20610432 .
- ^ Firth AE, Brown CM (февраль 2005 г.). «Обнаружение перекрывающихся кодирующих последовательностей с парными выравниваниями» . Биоинформатика . 21 (3): 282–92. doi : 10.1093/bioinformatics/bti007 . PMID 15347574 .
- ^ Schlub TE, Buchmann JP, Holmes EC (октябрь 2018 г.). Малик Х (ред.). «Простой метод обнаружения кандидатов, перекрывающихся в вирусах с использованием последовательностей одного генома» . Молекулярная биология и эволюция . 35 (10): 2572–2581. doi : 10.1093/molbev/msy155 . PMC 6188560 . PMID 30099499 .