Генная структура
Структура гена – это организация специализированных элементов последовательности внутри гена . Гены содержат большую часть информации, необходимой живым клеткам для выживания и размножения. [1] [2] У большинства организмов гены состоят из ДНК, причем конкретная последовательность ДНК определяет функцию гена. Ген транскрибируется (копируется) с ДНК в РНК , которая может быть либо некодирующей ( нкРНК ) с прямой функцией, либо промежуточным мессенджером ( мРНК ), которая затем транслируется в белок . Каждый из этих этапов контролируется определенными элементами последовательности или областями внутри гена. Таким образом, для функциональности каждого гена требуется несколько элементов последовательности. [2] Сюда входит последовательность, которая фактически кодирует функциональный белок или нкРНК, а также несколько регуляторной последовательности областей . Эти области могут иметь длину от нескольких пар оснований до многих тысяч пар оснований.
во многом схожа Большая часть структуры генов у эукариот и прокариот . Эти общие элементы во многом являются результатом общего происхождения клеточной жизни в организмах более 2 миллиардов лет назад. [3] Ключевые различия в структуре генов между эукариотами и прокариотами отражают их различные механизмы транскрипции и трансляции. [4] [5] Понимание структуры генов является основой понимания их аннотации , экспрессии и функций . [6]
Общие особенности
[ редактировать ]Структуры как эукариотических, так и прокариотических генов включают несколько вложенных элементов последовательности. Каждый элемент выполняет определенную функцию в многоэтапном процессе экспрессии генов . Последовательности и длина этих элементов различаются, но в большинстве генов присутствуют одни и те же общие функции. [2] Хотя ДНК представляет собой двухцепочечную молекулу, обычно только одна из цепей кодирует информацию, которую РНК-полимераза считывает для производства мРНК , кодирующей белок , или некодирующей РНК. Эта «смысловая» или «кодирующая» цепь проходит в направлении от 5’ к 3’ , где цифры относятся к атомам углерода рибозного сахара основной цепи . Поэтому открытая рамка считывания (ORF) гена обычно изображается в виде стрелки, указывающей направление, в котором считывается смысловая цепь. [7]
Регуляторные последовательности расположены на концах генов. Эти области последовательности могут находиться либо рядом с транскрибируемой областью (промотором ) , либо разделены множеством тысяч оснований ( энхансеры и сайленсеры ). [8] Промотор расположен на 5'-конце гена и состоит из основной последовательности промотора и проксимальной последовательности промотора. Коровый промотор отмечает место начала транскрипции, связывая РНК-полимеразу и другие белки, необходимые для копирования ДНК в РНК. Проксимальная область промотора связывает факторы транскрипции , которые изменяют сродство основного промотора к РНК-полимеразе. [9] [10] Гены могут регулироваться с помощью множества последовательностей энхансеров и сайленсеров, которые дополнительно модифицируют активность промоторов путем связывания белков- активаторов или репрессоров . [11] [12] Энхансеры и сайленсеры могут быть расположены на расстоянии многих тысяч пар оснований от гена. 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, предотвращая связывание полимеразы. [14] Для генов с несколькими регуляторными последовательностями скорость транскрипции является произведением всех элементов вместе взятых. [15] Связывание активаторов и репрессоров с множеством регуляторных последовательностей оказывает кооперативный эффект на инициацию транскрипции. [16]
Хотя все организмы используют как активаторы транскрипции, так и репрессоры, говорят, что эукариотические гены «по умолчанию выключены», тогда как прокариотические гены «по умолчанию включены». [5] Для осуществления экспрессии коровый промотор эукариотических генов обычно требует дополнительной активации промоторными элементами. Коровый промотор прокариотических генов, наоборот, достаточен для сильной экспрессии и регулируется репрессорами. [5]
 |
Дополнительный уровень регуляции возникает для генов, кодирующих белок, после того, как мРНК была процессирована, чтобы подготовить ее к трансляции в белок. Только область между старт- и стоп -кодонами кодирует конечный белковый продукт. Фланкирующие нетранслируемые области (UTR) содержат дополнительные регуляторные последовательности. [18] содержит 3'-UTR терминаторную последовательность , которая отмечает конечную точку транскрипции и высвобождает РНК-полимеразу. [19] связывает 5'-UTR рибосому , которая транслирует кодирующую белок область в цепочку аминокислот , которая сворачивается с образованием конечного белкового продукта. В случае генов некодирующих РНК РНК не транслируется, а вместо этого сворачивается и становится непосредственно функциональной. [20] [21]
Эукариоты
[ редактировать ]В структуру генов эукариот входят особенности, отсутствующие у прокариот. Большинство из них относятся к посттранскрипционной модификации пре -мРНК с целью получения зрелой мРНК, готовой к трансляции в белок. Гены эукариот обычно имеют больше регуляторных элементов для контроля экспрессии генов по сравнению с прокариотами. [5] Это особенно верно для многоклеточных эукариот, например, для человека, у которых экспрессия генов широко варьируется в разных тканях . [11]
Ключевой особенностью структуры эукариотических генов является то, что их транскрипты обычно подразделяются на экзонные и интронные области. Области экзонов сохраняются в конечной зрелой молекуле мРНК , тогда как области интронов подвергаются сплайсингу (вырезанию) во время посттранскрипционного процессинга. [22] Действительно, интронные области гена могут быть значительно длиннее экзонных. После сращивания экзоны образуют единую непрерывную область, кодирующую белок, и границы сплайсинга не обнаруживаются. Эукариотический посттранскрипционный процессинг 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 не кодируется напрямую в структуре гена. [18]
Прокариоты
[ редактировать ] |
Общая организация генов прокариот заметно отличается от организации эукариот. Наиболее очевидное различие состоит в том, 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 поэтому совместно регулируются и часто выполняют родственные функции. [23] [24] Каждая ORF обычно имеет свой собственный сайт связывания рибосом (RBS), так что рибосомы одновременно транслируют ORF на одной и той же мРНК. Некоторые опероны также демонстрируют трансляционную связь, когда скорости трансляции нескольких ORF внутри оперона связаны. [25] Это может произойти, когда рибосома остается прикрепленной к концу ORF и просто перемещается к следующей без необходимости создания новой RBS. [26] Трансляционное сопряжение также наблюдается, когда трансляция ORF влияет на доступность следующего RBS через изменения вторичной структуры 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]
Операторная последовательность рядом с промотором является основным регуляторным элементом у прокариот. Белки-репрессоры, связанные с операторной последовательностью, физически блокируют фермент РНК-полимеразы, предотвращая транскрипцию. [29] [30] Рибопереключатели представляют собой еще одну важную регуляторную последовательность, обычно присутствующую в UTR прокариот. Эти последовательности переключаются между альтернативными вторичными структурами РНК в зависимости от концентрации ключевых метаболитов . Затем вторичные структуры либо блокируют, либо обнажают важные области последовательности, такие как RBS. Интроны крайне редки у прокариот и поэтому не играют существенной роли в регуляции генов прокариот. [31]
Ссылки
[ редактировать ]
Эта статья была адаптирована из следующего источника под лицензией CC BY 4.0 ( 2017 г. ) ( отчеты рецензента ):
Томас Шафи; Рохан Лоу (17 января 2017 г.). «Структура генов эукариот и прокариот» (PDF) . Викижурнал медицины 4 (1). дои : 10.15347/WJM/2017.002 . ISSN 2002-4436 . Викиданные , второй квартал
- ^ Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин; Робертс, Кейт; Уолтер, Питер (2002). «Как работают генетические переключатели» . Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Гирляндная наука.
- ^ Jump up to: а б с Поляк, Корнелия; Мейерсон, Мэтью (2003). «Обзор: структура гена» . Раковая медицина (6-е изд.). БК Декер.
- ^ Вернер, Финн; Громанн, Дина (2011). «Эволюция многосубъединичных РНК-полимераз в трех доменах жизни». Обзоры природы Микробиология . 9 (2): 85–98. дои : 10.1038/nrmicro2507 . ISSN 1740-1526 . ПМИД 21233849 . S2CID 30004345 .
- ^ Козак, Мэрилин (1999). «Инициация трансляции у прокариот и эукариот». Джин . 234 (2): 187–208. дои : 10.1016/S0378-1119(99)00210-3 . ISSN 0378-1119 . ПМИД 10395892 .
- ^ Jump up to: а б с д Струл, Кевин (1999). «Принципиально разная логика регуляции генов у эукариот и прокариот» . Клетка . 98 (1): 1–4. дои : 10.1016/S0092-8674(00)80599-1 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 10412974 . S2CID 12411218 .
- ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2002). Молекулярная биология клетки (Четвертое изд.). Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3 .
- ^ Лу, Г. (2004). «Vector NTI, сбалансированный комплексный пакет для анализа последовательностей» . Брифинги по биоинформатике . 5 (4): 378–88. дои : 10.1093/нагрудник/5.4.378 . ISSN 1467-5463 . ПМИД 15606974 .
- ^ Випер-Бержерон, Надин; Скерянц, Илона С. (2009). «Транскрипция и контроль экспрессии генов». Биоинформатика для системной биологии . Хумана Пресс. стр. 33–49. дои : 10.1007/978-1-59745-440-7_2 . ISBN 978-1-59745-440-7 .
- ^ Томас, Мэри К.; Чан, Ченг-Мин (2008). «Общий механизм транскрипции и общие кофакторы». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 41 (3): 105–78. CiteSeerX 10.1.1.376.5724 . дои : 10.1080/10409230600648736 . ISSN 1040-9238 . ПМИД 16858867 . S2CID 13073440 .
- ^ 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. дои : 10.1016/j.ceb.2008.03.003 . ISSN 0955-0674 . ПМК 2586601 . ПМИД 18436437 .
- ^ Jump up to: а б Мастон, Гленн А.; Эванс, Сара К.; Грин, Майкл Р. (2006). «Транскрипционные регуляторные элементы в геноме человека» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 7 (1): 29–59. дои : 10.1146/annurev.genom.7.080505.115623 . ISSN 1527-8204 . ПМИД 16719718 . S2CID 12346247 .
- ^ Пеннаккио, Луизиана; Бикмор, В.; Дин, А.; Нобрега, Массачусетс; Беджерано, Г. (2013). «Усилители: пять основных вопросов» . Обзоры природы Генетика . 14 (4): 288–95. дои : 10.1038/nrg3458 . ПМЦ 4445073 . ПМИД 23503198 .
- ^ Мастон, Джорджия; Эванс, СК; Грин, MR (2006). «Транскрипционные регуляторные элементы в геноме человека» . Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 7 : 29–59. дои : 10.1146/annurev.genom.7.080505.115623 . ПМИД 16719718 . S2CID 12346247 .
- ^ Огборн, Стивен; Анталис, Тони М. (1998). «Транскрипционный контроль и роль сайленсеров в регуляции транскрипции у эукариот» . Биохимический журнал . 331 (1): 1–14. дои : 10.1042/bj3310001 . ISSN 0264-6021 . ПМЦ 1219314 . ПМИД 9512455 .
- ^ Бухлер, штат Невада; Герланд, У.; Хва, Т. (2003). «О схемах комбинаторной логики транскрипции» . Труды Национальной академии наук . 100 (9): 5136–41. Бибкод : 2003PNAS..100.5136B . дои : 10.1073/pnas.0930314100 . ISSN 0027-8424 . ПМК 404558 . ПМИД 12702751 .
- ^ Каземян, М.; Фам, Х.; Вулф, ЮАР; Бродский, М.Х.; Синха, С. (11 июля 2013 г.). «Широко распространенные доказательства кооперативного связывания ДНК факторами транскрипции в развитии дрозофилы» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (17): 8237–52. дои : 10.1093/nar/gkt598 . ПМЦ 3783179 . ПМИД 23847101 .
- ^ Jump up to: а б Шафи, Томас; Лоу, Рохан (2017). «Строение генов эукариот и прокариот» . Викижурнал медицины . 4 (1). дои : 10.15347/wjm/2017.002 . ISSN 2002-4436 .
- ^ Jump up to: а б Гуханийоги, Джайита; Брюэр, Гэри (2001). «Регуляция стабильности мРНК в клетках млекопитающих». Джин . 265 (1–2): 11–23. дои : 10.1016/S0378-1119(01)00350-X . ISSN 0378-1119 . ПМИД 11255003 .
- ^ Кюнер, Джейсон Н.; Пирсон, Эрика Л.; Мур, Клэр (2011). «Раскрытие средств достижения цели: терминация транскрипции РНК-полимеразы II» . Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 12 (5): 283–94. дои : 10.1038/nrm3098 . ISSN 1471-0072 . ПМЦ 6995273 . ПМИД 21487437 .
- ^ Мэттик, Дж. С. (2006). «Некодирующая РНК» . Молекулярная генетика человека . 15 (90001): R17–R29. дои : 10.1093/hmg/ddl046 . ISSN 0964-6906 . ПМИД 16651366 .
- ^ Палаццо, Александр Ф.; Ли, Элиза С. (2015). «Некодирующая РНК: что функционально, а что мусор?» . Границы генетики . 6 :2. дои : 10.3389/fgene.2015.00002 . ISSN 1664-8021 . ПМК 4306305 . ПМИД 25674102 .
- ^ Матера, А. Грегори; Ван, Зефэн (2014). «Один день из жизни сплайсосомы» . Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 15 (2): 108–21. дои : 10.1038/nrm3742 . ISSN 1471-0072 . ПМК 4060434 . ПМИД 24452469 .
- ^ Jump up to: а б Сальгадо, Х.; Морено-Хагельзиб, Г.; Смит, Т.; Колладо-Видес, Дж. (2000). «Опероны в Escherichia coli: геномный анализ и прогнозы» . Труды Национальной академии наук . 97 (12): 6652–57. Бибкод : 2000PNAS...97.6652S . дои : 10.1073/pnas.110147297 . ЧВК 18690 . ПМИД 10823905 .
- ^ Джейкоб, Ф.; Моно, Дж. (1 июня 1961 г.). «Генетические регуляторные механизмы синтеза белков». Журнал молекулярной биологии . 3 (3): 318–56. дои : 10.1016/s0022-2836(61)80072-7 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 13718526 . S2CID 19804795 .
- ^ Тянь, Тянь; Салис, Ховард М. (2015). «Прогностическая биофизическая модель трансляционного взаимодействия для координации и контроля экспрессии белков в бактериальных оперонах» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (14): 7137–51. дои : 10.1093/нар/gkv635 . ISSN 0305-1048 . ПМЦ 4538824 . ПМИД 26117546 .
- ^ Шюмперли, Даниэль; Маккенни, Кейт; Собески, Донна А.; Розенберг, Мартин (1982). «Трансляционное соединение на межцистронной границе галактозного оперона Escherichia coli». Клетка . 30 (3): 865–71. дои : 10.1016/0092-8674(82)90291-4 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 6754091 . S2CID 31496240 .
- ^ Левин-Карп, Айелет; Баренхольц, Ури; Барейя, Тасним; Даяги, Михал; Зелбух, Лиор; Антоновский, Нив; Нур, Элад; Майло, Рон (2013). «Количественная оценка трансляционной связи в синтетических оперонах E. coli с использованием модуляции RBS и флуоресцентных репортеров». ACS Синтетическая биология . 2 (6): 327–36. дои : 10.1021/sb400002n . ISSN 2161-5063 . ПМИД 23654261 . S2CID 63692 .
- ^ Льюис, Митчелл (июнь 2005 г.). «Лак-репрессор». Comptes Rendus Biologies . 328 (6): 521–48. дои : 10.1016/j.crvi.2005.04.004 . ПМИД 15950160 .
- ^ МакКлюр, WR (1985). «Механизм и контроль инициации транскрипции у прокариот». Ежегодный обзор биохимии . 54 (1): 171–204. дои : 10.1146/annurev.bi.54.070185.001131 . ISSN 0066-4154 . ПМИД 3896120 .
- ^ Белл, Чарльз Э; Льюис, Митчелл (2001). «Репрессор Лака: второе поколение структурных и функциональных исследований». Современное мнение в области структурной биологии . 11 (1): 19–25. дои : 10.1016/S0959-440X(00)00180-9 . ISSN 0959-440X . ПМИД 11179887 .
- ^ Родригес-Треллес, Фрэнсис; Таррио, Роуз; Аяла, Франсиско Дж. (2006). «Происхождение и эволюция сплайсосомных интронов». Ежегодный обзор генетики . 40 (1): 47–7 дои : 10.1146/annurev.genet.40.110405.090625 . ISSN 0066-4197 . ПМИД 17094737 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- GSDS - Сервер отображения генной структуры