Структурный ген
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( февраль 2017 г. ) |
Структурный ген — это ген , который кодирует любую РНК или белковый продукт, кроме регуляторного фактора (т. е. регуляторного белка ). Термин, происходящий от lac оперона , структурные гены обычно рассматриваются как те, которые содержат последовательности ДНК, соответствующие аминокислотам белка, который будет продуцироваться, пока указанный белок не регулирует экспрессию генов. Структурные генные продукты включают ферменты и структурные белки. Структурными генами также кодируются некодирующие РНК, такие как рРНК и тРНК (но исключая любые регуляторные микроРНК и миРНК ).
Размещение в геноме
[ редактировать ]У прокариот структурные гены родственных функций обычно соседствуют друг с другом на одной цепи ДНК, образуя оперон . Это позволяет упростить регуляцию экспрессии генов, поскольку один регуляторный фактор может влиять на транскрипцию всех связанных генов. Лучше всего это иллюстрируется хорошо изученным опероном lac , в котором три структурных гена ( lacZ , lacY и lacA ) регулируются одним промотором и одним оператором. Структурные гены прокариот транскрибируются в полицистронную мРНК и впоследствии транслируются. [1]
У эукариот структурные гены расположены не последовательно. Вместо этого каждый ген состоит из кодирующих экзонов и вкраплений некодирующих интронов . Регуляторные последовательности обычно обнаруживаются в некодирующих областях выше и ниже гена. МРНК структурных генов необходимо сплайсировать перед трансляцией для удаления интронных последовательностей. Это, в свою очередь, приводит к эукариотическому явлению альтернативного сплайсинга , при котором одна мРНК из одного структурного гена может производить несколько различных белков, в зависимости от того, какие экзоны включены. Несмотря на сложность этого процесса, по оценкам, до 94% человеческих генов каким-либо образом сплайсированы. [2] Более того, в разных типах тканей наблюдаются разные модели сплайсинга. [3]
Исключением из этого правила у эукариот являются гены белков-гистонов, у которых полностью отсутствуют интроны. [4] Также различаются кластеры рДНК структурных генов, в которых последовательности 28S, 5,8S и 18S расположены рядом, разделенные короткими внутренне транскрибируемыми спейсерами, а 45S рДНК встречается в пяти разных местах генома, но сгруппирована в соседние повторы. У эубактерий эти гены организованы в опероны. Однако у архебактерий эти гены несмежны и не имеют сцепления. [5]
Роль в заболеваниях человека
[ редактировать ]Идентификация генетической основы возбудителя заболевания может стать важным компонентом понимания его последствий и распространения. Расположение и содержание структурных генов могут пролить свет на эволюцию вирулентности. [6] а также предоставить необходимую информацию для лечения. Аналогично, понимание конкретных изменений в структурных последовательностях генов, лежащих в основе усиления или утраты вирулентности, помогает понять механизм, с помощью которого болезни поражают своих хозяев. [7]
Например, было обнаружено, что Yersinia pestis ( бубонная чума ) несет на плазмидах несколько структурных генов, связанных с вирулентностью и воспалением. [8] Аналогичным образом было установлено, что структурный ген, ответственный за столбняк, также находится на плазмиде. [9] Дифтерия вызывается бактерией, но только после того, как эта бактерия заражается бактериофагом, несущим структурные гены токсина. [10]
В вирусе простого герпеса структурная последовательность гена, отвечающая за вирулентность, была обнаружена в двух местах генома, несмотря на то, что только одно место фактически производит продукт вирусного гена. Было высказано предположение, что это может служить потенциальным механизмом восстановления вирулентности штаммов в случае их утраты в результате мутации. [11]
Понимание конкретных изменений в структурных генах, лежащих в основе усиления или снижения вирулентности, является необходимым шагом в разработке конкретных методов лечения, а также в изучении возможного медицинского использования токсинов. [10]
Филогенетика
[ редактировать ]Еще в 1974 году сходство последовательностей ДНК было признано ценным инструментом для определения взаимоотношений между таксонами. [12] Структурные гены в целом более консервативны из-за функциональных ограничений и поэтому могут оказаться полезными при изучении более разрозненных таксонов. Оригинальные анализы обогатили образцы структурными генами посредством гибридизации с мРНК. [13]
Более поздние филогенетические подходы были сосредоточены на структурных генах с известной функцией, консервативных в различной степени. Последовательности рРНК часто являются мишенями, поскольку они консервативны у всех видов. [14] Микробиология специально нацелилась на ген 16S, чтобы определить различия на уровне видов. [15] В таксонах более высокого порядка COI теперь считается «штрих-кодом жизни» и применяется для большей части биологической идентификации. [16]
Дебаты
[ редактировать ]Несмотря на широко распространенную классификацию генов на структурные и регуляторные, эти категории не являются абсолютным разделением. Недавние генетические открытия ставят под сомнение различие между регуляторными и структурными генами. [17]
Различие между регуляторными и структурными генами можно объяснить оригинальной работой 1959 года по экспрессии белка оперона Lac. [18] В этом случае был обнаружен единственный регуляторный белок, который влиял на транскрипцию других белков, которые, как теперь известно, составляют оперон Lac. С этого момента два типа кодирующих последовательностей были разделены. [18]
Однако растущее количество открытий в области регуляции генов предполагает большую сложность. Структурная экспрессия генов регулируется многочисленными факторами, включая эпигенетику (например, метилирование), РНКи и другие. Регуляторные и структурные гены могут эпигенетически регулироваться одинаково, поэтому не вся регуляция кодируется «регуляторными генами». [17]
Есть также примеры белков, которые явно не подходят ни к одной из категорий, например, белки-шапероны . Эти белки помогают сворачивать другие белки, выполняя, по-видимому, регулирующую роль. [19] [20] Однако эти же самые белки также способствуют перемещению белков-шаперонов через мембраны. [21] и теперь участвуют в иммунных реакциях (см. Hsp60 ). [22] и в апоптотическом пути (см. Hsp70 ). [23]
Совсем недавно было обнаружено, что микроРНК производятся из внутренних транскрибируемых спейсеров генов рРНК. [24] Таким образом, внутренний компонент структурного гена по сути является регуляторным. Сайты связывания микроРНК были также обнаружены в кодирующих последовательностях генов. Обычно интерферирующие РНК нацелены на 3'UTR, но включение сайтов связывания в последовательность самого белка позволяет транскриптам этих белков эффективно регулировать микроРНК внутри клетки. Было продемонстрировано, что это взаимодействие влияет на экспрессию, и, таким образом, структурный ген снова содержит регуляторный компонент. [25]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мюллер-Хилл, Бенно (1 января 1996 г.). Лак Оперон: Краткая история генетической парадигмы . Вальтер де Грюйтер. ISBN 9783110148305 .
- ^ Ван, Эрик Т.; Сандберг, Рикард; Ло, Шуцзюнь; Хребтукова Ирина; Чжан, Лу; Майр, Кристина; Кингсмор, Стивен Ф.; Шрот, Гэри П.; Бердж, Кристофер Б. (2008). «Альтернативная регуляция изоформ в транскриптомах тканей человека» . Природа . 456 (7221): 470–476. Бибкод : 2008Natur.456..470W . дои : 10.1038/nature07509 . ПМЦ 2593745 . ПМИД 18978772 .
- ^ Йо, Джин; Хольсте, Дирк; Крейман, Габриэль; Бердж, Кристофер Б. (1 января 2004 г.). «Вариации альтернативного сплайсинга в тканях человека» . Геномная биология . 5 (10): Р74. дои : 10.1186/gb-2004-5-10-r74 . ISSN 1474-760X . ПМК 545594 . ПМИД 15461793 .
- ^ Макаловский, В. (1 января 2001 г.). «Структура и организация генома человека» . Акта Биохимика Полоника . 48 (3): 587–598. дои : 10.18388/abp.2001_3893 . ISSN 0001-527X . ПМИД 11833767 .
- ^ Ту, Дж; Зиллиг, В. (25 ноября 1982 г.). «Организация структурных генов рРНК у архебактерии Thermoplasma acidophilum» . Исследования нуклеиновых кислот . 10 (22): 7231–7245. дои : 10.1093/нар/10.22.7231 . ISSN 0305-1048 . ПМК 327000 . ПМИД 7155894 .
- ^ Шриватсан, Сринанд; Пан, Си; Стокбауэр, Кэтрин Э.; Коннелл, Нэнси Д.; Крайсвирт, Барри Н.; Уиттам, Томас С.; Массер, Джеймс М. (2 сентября 1997 г.). «Ограниченный структурный полиморфизм генов в комплексе Mycobacterium Tuberculosis указывает на эволюционно недавнее глобальное распространение» . Труды Национальной академии наук . 94 (18): 9869–9874. Бибкод : 1997PNAS...94.9869S . дои : 10.1073/pnas.94.18.9869 . ISSN 0027-8424 . ПМК 23284 . ПМИД 9275218 .
- ^ Махарадж, Паял Д.; Анищенко Михаил; Ланжевен, Стэнли А.; Фан, Инь; Райзен, Уильям К.; Браулт, Аарон К. (1 января 2012 г.). «Химеры структурных генов (prME) вируса энцефалита Сент-Луиса и вируса Западного Нила демонстрируют измененные in vitro цитопатические фенотипы и фенотипы роста» . Журнал общей вирусологии . 93 (1): 39–49. дои : 10.1099/vir.0.033159-0 . ПМЦ 3352334 . ПМИД 21940408 .
- ^ Брубейкер, Роберт Р. (1 августа 2007 г.). «Как структурные генные продукты Yersinia pestis связаны с вирулентностью». Будущая микробиология . 2 (4): 377–385. дои : 10.2217/17460913.2.4.377 . ISSN 1746-0921 . ПМИД 17683274 .
- ^ Финн, CW; Серебро, РП; Хабиг, штат Вашингтон; Харградус, MC; Зон, Г.; Гарон, CF (25 мая 1984 г.). «Структурный ген столбнячного нейротоксина находится на плазмиде». Наука . 224 (4651): 881–884. Бибкод : 1984Sci...224..881F . дои : 10.1126/science.6326263 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 6326263 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Гринфилд, Л.; Бьорн, MJ; Хорн, Г.; Фонг, Д.; Бак, Джорджия; Коллиер, Р.Дж.; Каплан, Д.А. (1 ноября 1983 г.). «Нуклеотидная последовательность структурного гена дифтерийного токсина, переносимая коринебактериофагом бета» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 80 (22): 6853–6857. Бибкод : 1983PNAS...80.6853G . дои : 10.1073/pnas.80.22.6853 . ISSN 0027-8424 . ПМК 390084 . ПМИД 6316330 .
- ^ Найп, Дэвид; Руечан, Уильям; Честность, Роберт; Ройзман, Бернард (1979). «Молекулярная генетика вируса простого герпеса: концевые последовательности компонентов L и S обязательно идентичны и составляют часть структурного картирования генов преимущественно в компоненте S» (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 76 (9): 4534–4538. Бибкод : 1979PNAS...76.4534K . дои : 10.1073/pnas.76.9.4534 . ПМК 411612 . ПМИД 228300 .
- ^ Мур, РЛ (1 января 1974 г.). «Реассоциация нуклеиновых кислот как руководство по генетическому родству бактерий». Современные аспекты электрохимии . Актуальные темы микробиологии и иммунологии. Том. 64. С. 105–128. дои : 10.1007/978-3-642-65848-8_4 . ISBN 978-3-642-65850-1 . ISSN 0070-217X . ПМИД 4602647 .
- ^ Ангерер, RC; Дэвидсон, Э.Х.; Бриттен, Р.Дж. (8 июля 1976 г.). «Однокопийная ДНК и взаимоотношения структурных последовательностей генов среди четырех видов морских ежей». Хромосома . 56 (3): 213–226. дои : 10.1007/bf00293186 . ISSN 0009-5915 . ПМИД 964102 . S2CID 26007034 .
- ^ Прюсс, Э.; Кваст, К.; Книттель, К.; Фукс, Б.М.; Людвиг, В.; Пеплиес, Дж.; Глокнер, ФО (1 декабря 2007 г.). «SILVA: комплексный онлайн-ресурс для проверенных и согласованных по качеству данных о последовательностях рибосомальных РНК, совместимых с ARB» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (21): 7188–7196. дои : 10.1093/нар/gkm864 . ISSN 0305-1048 . ПМК 2175337 . ПМИД 17947321 .
- ^ Чун, Чонсик; Ли, Джэ-Хак; Юнг, Юнён; Ким, Мёнджин; Ким, Сейл; Ким, Бён Квон; Лим, Ён-Вун (1 января 2007 г.). «EzTaxon: веб-инструмент для идентификации прокариотов на основе последовательностей генов 16S рибосомальной РНК» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 57 (10): 2259–2261. дои : 10.1099/ijs.0.64915-0 . ПМИД 17911292 .
- ^ Хеберт, Пол Д.Н.; Цывинская, Алина; Болл, Шелли Л.; деВаард, Джереми Р. (7 февраля 2003 г.). «Биологическая идентификация посредством штрих-кодов ДНК» . Труды Лондонского королевского общества B: Биологические науки . 270 (1512): 313–321. дои : 10.1098/рспб.2002.2218 . ISSN 0962-8452 . ПМЦ 1691236 . ПМИД 12614582 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Пиро, Розарио Майкл (29 марта 2011 г.). «Все ли гены являются регуляторными генами?». Биология и философия . 26 (4): 595–602. дои : 10.1007/s10539-011-9251-9 . ISSN 0169-3867 . S2CID 16289510 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Парди, Артур Б.; Джейкоб, Франсуа; Моно, Жак (1 июня 1959). «Генетический контроль и цитоплазматическая экспрессия «индуцируемости» при синтезе β-галактозидазы E. coli». Журнал молекулярной биологии . 1 (2): 165–178. дои : 10.1016/S0022-2836(59)80045-0 .
- ^ Хендрик, JP; Хартл, ФУ (1 декабря 1995 г.). «Роль молекулярных шаперонов в сворачивании белков» . Журнал ФАСЭБ . 9 (15): 1559–1569. дои : 10.1096/fasebj.9.15.8529835 . ISSN 0892-6638 . ПМИД 8529835 . S2CID 33498269 .
- ^ Сайбил, Хелен (1 октября 2013 г.). «Шаперонные машины для сворачивания, разворачивания и дезагрегации белков» . Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 14 (10): 630–642. дои : 10.1038/nrm3658 . ISSN 1471-0072 . ПМЦ 4340576 . ПМИД 24026055 .
- ^ Колл, Х.; Гиард, Б.; Рассов, Дж.; Остерманн, Дж.; Хорвич, Алабама; Нойперт, В.; Хартл, ФУ (20 марта 1992 г.). «Антифолдинговая активность белка hsp60, связывающего импорт в митохондриальный матрикс с экспортом в межмембранное пространство» (PDF) . Клетка . 68 (6): 1163–1175. дои : 10.1016/0092-8674(92)90086-р . ISSN 0092-8674 . ПМИД 1347713 . S2CID 7430067 .
- ^ Хансен, Йенс Дж.; Бросс, Питер; Вестергаард, Майкен; Нильсен, Марит Нихольм; Эйберг, Ганс; Борглум, Андерс Д.; Могенсен, Йенс; Кристиансен, Карстен; Болунд, Ларс (1 января 2003 г.). «Геномная структура генов митохондриальных шаперонинов человека: HSP60 и HSP10 локализованы лицом к лицу на хромосоме 2, разделенной двунаправленным промотором». Генетика человека . 112 (1): 71–77. дои : 10.1007/s00439-002-0837-9 . ISSN 0340-6717 . ПМИД 12483302 . S2CID 25856774 .
- ^ Каппелло, Франческо; Ди Стефано, Антонино; Дэвид, Сабрина; Раппа, Франческо; Анзалоне, Рита; Ла Рокка, Джампьеро; Д'Анна, Сильвестро Э.; Маньо, Франческа; Доннер, Клаудио Ф. (15 ноября 2006 г.). «Снижение регуляции Hsp60 и Hsp10 предсказывает канцерогенез бронхиального эпителия у курильщиков с хронической обструктивной болезнью легких» . Рак . 107 (10): 2417–2424. дои : 10.1002/cncr.22265 . ISSN 0008-543X . ПМИД 17048249 .
- ^ Сон, Дон Джу; Кумар, Сандип; Такабэ, Вакако; Ким, Чан У; Ни, Чи-Вэнь; Альбертс-Гриль, Ной; Чан, Ин-Хван; Ким, Сангок; Ким, Ванкю (18 декабря 2013 г.). «Атипичная механочувствительная микроРНК-712, полученная из прерибосомальной РНК, вызывает воспаление эндотелия и атеросклероз» . Природные коммуникации . 4 : 3000. Бибкод : 2013NatCo...4.3000S . дои : 10.1038/ncomms4000 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 3923891 . ПМИД 24346612 .
- ^ Форман, Джошуа Дж.; Коллер, Хилари А. (15 апреля 2010 г.). «Код внутри кода: микроРНК нацелены на кодирующие области» . Клеточный цикл . 9 (8): 1533–1541. дои : 10.4161/cc.9.8.11202 . ISSN 1538-4101 . ПМЦ 2936675 . ПМИД 20372064 .