Эта статья была опубликована в рецензируемом журнале WikiJournal of Medicine (2017). Щелкните, чтобы просмотреть опубликованную версию.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Структура гена - это организация специализированных элементов последовательности в гене . Гены содержат информацию, необходимую для выживания и воспроизводства 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 промежуточным мессенджером ( мРНК ), которая затем транслируется в белок.. Каждый из этих шагов контролируется определенными элементами последовательности или участками гена. Следовательно, каждый ген требует, чтобы несколько элементов последовательности функционировали. [2] Это включает последовательность, которая фактически кодирует функциональный белок или нкРНК, а также несколько участков регуляторной последовательности . Эти области могут иметь длину от нескольких пар оснований до многих тысяч пар оснований.

Большая часть структуры генов у эукариот и прокариот во многом схожа . Эти общие элементы в основном являются результатом общего происхождения из клеточной жизни в организмах более 2 миллиардов лет назад. [3] Ключевые различия в структуре генов между эукариотами и прокариотами отражают их разные механизмы транскрипции и трансляции. [4] [5] Понимание структуры гена - это основа понимания аннотации , экспрессии и функции генов . [6]

Общие черты [ править ]

Структуры как эукариотических, так и прокариотических генов включают несколько элементов вложенных последовательностей. 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 получения мРНК, кодирующей белок, или некодирующей РНК. Это «ощущение» или «кодирование» нить, работает в направлении 5' к 3' направления , где цифры относятся к атомам углерода основной цепи в рибозах сахара . Открытая рамка считывания(ORF) гена поэтому обычно представляют в виде стрелки, указывающей направление, в котором читается смысловая цепь. [7]

Регуляторные последовательности расположены на концах генов. Эти области последовательности могут быть либо рядом с транскрибируемой областью ( промотор ), либо разделены множеством тысяч оснований ( энхансеры и сайленсеры ). [8] Промотор расположен на 5'-конце гена и состоит из коровой промоторной последовательности и проксимальной промоторной последовательности. Основной 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 множеством последовательностей энхансеров и сайленсеров, которые дополнительно модифицируют активность промоторов путем связывания активаторных или репрессорных белков. [11] [12] Энхансеры и сайленсеры могут быть расположены далеко от гена, на расстоянии многих тысяч пар оснований. Следовательно, 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 репрессорные белки могут связываться с коровым промотором для предотвращения связывания полимеразы. [14] Для генов с множеством регуляторных последовательностей скорость транскрипции является продуктом 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 гены эукариот «отключены по умолчанию», тогда как гены прокариот «включены по умолчанию». [5] Кор-промотор эукариотических генов обычно требует дополнительной активации промоторными элементами для проявления экспрессии. Основной промотор прокариотических генов, напротив, достаточен для сильной экспрессии и регулируется репрессорами. [5]


Дополнительный уровень регуляции возникает для генов, кодирующих белок, после того, как мРНК была обработана, чтобы подготовить ее к трансляции в белок. Только область между стартовым и стоп- кодонами кодирует конечный белковый продукт. Фланкирующие нетранслируемые области (UTR) содержат дополнительные регуляторные последовательности. [18] 3' UTR содержит терминатор последовательность, которая обозначает конечную точку для транскрипции и освобождает РНК - полимеразы. [19] 5' UTR связывает рибосомы , который переводит в область белка-кодирования в строку аминокислот , которые складываютсядля формирования конечного белкового продукта. В случае генов некодирующих РНК РНК не транслируется, а вместо этого сворачивается, чтобы быть непосредственно функциональной. [20] [21]

Эукариоты [ править ]

В структуру эукариотических генов входят особенности, отсутствующие у прокариот. Большинство из них относятся к Процессинг РНК в пре-мРНК для получения зрелой мРНК готов к переводу в белок. Эукариотические гены обычно имеют больше регуляторных элементов для контроля экспрессии генов по сравнению с прокариотами. [5] Это особенно верно в отношении многоклеточных эукариот, например людей, у которых экспрессия генов широко варьируется в разных тканях . [11]

Ключевой особенностью структуры эукариотических генов является то, что их транскрипты обычно подразделяются на экзонную и интронную области. Экзон области сохраняются в конечной зрелой мРНК молекулы, тогда как интрон регионы вырезаны (вырезают) в пост-транскрипционной обработки. [22] Действительно, интронные области гена могут быть значительно длиннее, чем экзонные области. После сплайсинга экзоны образуют единую непрерывную область, кодирующую белок, и границы сплайсинга не обнаруживаются. Посттранскрипционный процессинг эукариот также добавляет 5 'кэп к началу мРНК и полиаденозиновый хвост.до конца мРНК. Эти добавки стабилизируют мРНК и направляют ее транспорт из ядра в цитоплазму , хотя ни одна из этих функций не кодируется напрямую в структуре гена. [18]

Прокариоты [ править ]

Общая организация прокариотических генов заметно отличается от таковой у эукариот. Наиболее очевидное различие состоит в том, что ОРС прокариот часто группируются в полицистронный оперон под контролем общего набора регуляторных последовательностей. Все ORF транскрибируются на одной и той же мРНК, поэтому они совместно регулируются 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 внутри оперона связаны. [25]Это может происходить, когда рибосома остается прикрепленной к концу ORF и просто перемещается к следующей без необходимости в новом RBS. [26] Трансляционное соединение также наблюдается, когда трансляция ORF влияет на доступность следующей RBS через изменения вторичной структуры РНК. [27] Наличие нескольких ORF на одной мРНК возможно только у прокариот, потому что их транскрипция и трансляция происходят в одно и то же время и в одной и той же субклеточной локализации. [23] [28]

Последовательность оператора рядом с промотором является основным регуляторным элементом прокариот. Белки-репрессоры, связанные с последовательностью оператора, физически препятствуют ферменту РНК-полимеразы, предотвращая транскрипцию. [29] [30] Рибопереключатели - еще одна важная регуляторная последовательность, обычно присутствующая в UTR прокариот. Эти последовательности переключаются между альтернативными вторичными структурами в РНК в зависимости от концентрации ключевых метаболитов . Вторичные структуры затем либо блокируют, либо выявляют важные участки последовательности, такие как RBS. Интроны чрезвычайно редки у прокариот и поэтому не играют значительной роли в регуляции прокариотических генов. [31]

Ссылки [ править ]

Эта статья была адаптирована из следующего источника по лицензии CC BY 4.0 ( 2017 ) ( отчеты рецензентов ): «Структура эукариотических и прокариотических генов». WikiJournal of Medicine . 4 (1). 2017. DOI : 10,15347 / WJM / 2017,002 . ISSN  2002-4436 . Викиданные  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.).
  2. ^ a b c Поляк, Корнелия; Мейерсон, Мэтью (2003). «Обзор: структура гена» . Онкологическая медицина (6 изд.). BC Decker.
  3. ^ Вернер, Финн; Громанн, Дина (2011). «Эволюция мультисубъединичных РНК-полимераз в трех сферах жизни». Обзоры природы микробиологии . 9 (2): 85–98. DOI : 10.1038 / nrmicro2507 . ISSN 1740-1526 . PMID 21233849 .  
  4. ^ Козак, Мэрилин (1999). «Инициирование трансляции у прокариот и эукариот». Джин . 234 (2): 187–208. DOI : 10.1016 / S0378-1119 (99) 00210-3 . ISSN 0378-1119 . PMID 10395892 .  
  5. ^ a b c d Struhl, Кевин (1999). «Принципиально разная 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 .  
  6. Перейти ↑ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002). Молекулярная биология клетки (Четвертое изд.). Нью-Йорк: Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  7. ^ Лу, Г. (2004). «Vector NTI, сбалансированный комплексный комплекс для анализа последовательностей» . Брифинги по биоинформатике . 5 (4): 378–88. DOI : 10.1093 / нагрудник / 5.4.378 . ISSN 1467-5463 . PMID 15606974 .  
  8. ^ Вайпер-Бержерон, Надин; Скерянц, Илона С. (2009). Транскрипция и контроль экспрессии генов . Humana Press. С. 33–49. DOI : 10.1007 / 978-1-59745-440-7_2 . ISBN 978-1-59745-440-7.
  9. ^ Томас, Мэри С .; Чан, Чэн-Мин (2008). «Общая машина транскрипции и общие кофакторы». Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 41 (3): 105–78. CiteSeerX 10.1.1.376.5724 . DOI : 10.1080 / 10409230600648736 . ISSN 1040-9238 . PMID 16858867 .   
  10. ^ Juven-Гершон, Тамары; Сюй, Жер-Юань; Тайзен, Джошуа WM; Кадонага, Джеймс Т (2008). «Основной промотор РНК-полимеразы II - путь к транскрипции» . Текущее мнение в клеточной биологии . 20 (3): 253–59. DOI : 10.1016 / j.ceb.2008.03.003 . ISSN 0955-0674 . PMC 2586601 . PMID 18436437 .   
  11. ^ a b Maston, Glenn A .; Эванс, Сара К .; Грин, Майкл Р. (2006). «Элементы регуляции транскрипции в геноме человека». Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 7 (1): 29–59. DOI : 10.1146 / annurev.genom.7.080505.115623 . ISSN 1527-8204 . PMID 16719718 . S2CID 12346247 .   
  12. ^ Pennacchio, LA; Bickmore, W .; Дин, А .; Нобрега, Массачусетс; Бежерано, Г. (2013). «Энхансеры: пять основных вопросов» . Природа Обзоры Генетики . 14 (4): 288–95. DOI : 10.1038 / nrg3458 . PMC 4445073 . PMID 23503198 .  
  13. ^ Мастон, Джорджия; Эванс, СК; Грин, MR (2006). «Элементы регуляции транскрипции в геноме человека». Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 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» . Биохимический журнал . 331 (1): 1–14. DOI : 10.1042 / bj3310001 . ISSN 0264-6021 . PMC 1219314 . PMID 9512455 .   
  15. ^ Buchler, NE; Gerland, U .; Хва, Т. (2003). «О схемах комбинаторной логики транскрипции» . 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; Бродский, МЗ; Синха, С. (11 июля 2013 г.). «Широко распространенные доказательства кооперативного связывания ДНК факторами транскрипции в развитии дрозофилы» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (17): 8237–52. DOI : 10.1093 / NAR / gkt598 . PMC 3783179 . PMID 23847101 .  
  17. ^ a b 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. ^ а б Гуханийоги, Джайита; Брюэр, Гэри (2001). «Регуляция стабильности мРНК в клетках млекопитающих». Джин . 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). «Разоблачение средств достижения цели: прекращение транскрипции РНК-полимеразы II» . Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 12 (5): 283–94. DOI : 10.1038 / nrm3098 . ISSN 1471-0072 . PMC 6995273 . PMID 21487437 .   
  20. ^ Маттик, JS (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 нежелательно?» . Границы генетики . 6 : 2. дои : 10,3389 / fgene.2015.00002 . ISSN 1664-8021 . PMC 4306305 . PMID 25674102 .   
  22. ^ Матера, А. Грегори; Ван, Цефэн (2014). «Один день из жизни сплайсосомы» . Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 15 (2): 108–21. DOI : 10.1038 / nrm3742 . ISSN 1471-0072 . PMC 4060434 . PMID 24452469 .   
  23. ^ a b Salgado, H .; Moreno-Hagelsieb, G .; Smith, T .; Колладо-Видес, Дж. (2000). «Опероны кишечной палочки: геномный анализ и прогнозы» . Труды Национальной академии наук . 97 (12): 6652–57. Bibcode : 2000PNAS ... 97.6652S . DOI : 10.1073 / pnas.110147297 . PMC 18690 . PMID 10823905 .  
  24. ^ Джейкоб, F .; Моно, Дж. (1961-06-01). «Генетические регуляторные механизмы в синтезе белков». Журнал молекулярной биологии . 3 (3): 318–56. DOI : 10.1016 / s0022-2836 (61) 80072-7 . ISSN 0022-2836 . PMID 13718526 .  
  25. ^ Тиан, Тиан; Салис, Ховард М. (2015). «Прогнозирующая биофизическая модель трансляционного связывания для координации и контроля экспрессии белка в бактериальных оперонах» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (14): 7137–51. DOI : 10.1093 / NAR / gkv635 . ISSN 0305-1048 . PMC 4538824 . PMID 26117546 .   
  26. ^ Шюмперли, Даниэль; Маккенни, Кейт; Собески, Донна А .; Розенберг, Мартин (1982). «Трансляционная связь 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 .  
  27. ↑ Левин-Карп, Айелет; Баренхольц, Ури; Барейя, Тасним; Даяги, Михал; Zelcbuch, Lior; Антоновский, Нив; Нур, Элад; Майло, Рон (2013). «Количественная оценка трансляционного связывания в синтетических оперонах E. coli с использованием модуляции RBS и флуоресцентных репортеров». Синтетическая биология ACS . 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 Biologies . 328 (6): 521–48. DOI : 10.1016 / j.crvi.2005.04.004 . PMID 15950160 . 
  29. Перейти ↑ McClure, WR (1985). «Механизм и контроль инициации транскрипции у прокариот». Ежегодный обзор биохимии . 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». Текущее мнение в структурной биологии . 11 (1): 19–25. DOI : 10.1016 / S0959-440X (00) 00180-9 . ISSN 0959-440X . PMID 11179887 .  
  31. ^ Родригес-Треллес, Франсиско; Таррио, Роза; Айяла, 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 . PMID 17094737 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • GSDS - Сервер отображения генной структуры