Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из структурных генов )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Структурный ген представляет собой ген , который кодирует любой РНК или белковый продукт, отличной от регулирующего фактора (т.е. регуляторного белка ). Термин, производный от lac- оперона , структурные гены обычно рассматриваются как гены, содержащие последовательности ДНК, соответствующие аминокислотам белка, который будет продуцироваться, до тех пор, пока указанный белок не регулирует экспрессию гена. Структурные генные продукты включают ферменты и структурные белки. Структурными генами также кодируются некодирующие РНК, такие как рРНК и тРНК (но исключая любые регуляторные миРНК и миРНК ).

Размещение в геноме [ править ]

У прокариот структурные гены родственной функции обычно соседствуют друг с другом на одной цепи ДНК, образуя оперон . Это позволяет более просто регулировать экспрессию 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 ) все регулируются одним промотором и одним оператором. Структурные гены прокариот транскрибируются в полицистронную мРНК и впоследствии транслируются. [1]

У эукариот структурные гены не расположены последовательно. Вместо этого каждый ген состоит из кодирующих экзонов и чередующихся некодирующих интронов . Регуляторные последовательности обычно находятся в некодирующих областях выше и ниже гена. МРНК структурных генов должны быть сплайсированы перед трансляцией для удаления интронных последовательностей. Это, в свою очередь, приводит к эукариотическому феномену альтернативного сплайсинга , при котором одна мРНК из одного структурного гена может продуцировать несколько различных белков, в зависимости от того, какие экзоны включены. Несмотря на сложность этого процесса, по оценкам, до 94% генов человека каким-либо образом сплайсируются. [2]Кроме того, в разных типах тканей возникают разные схемы сращивания. [3]

Исключением из этой схемы у эукариот являются гены гистоновых белков, в которых полностью отсутствуют интроны. [4] Также различаются кластеры рДНК структурных генов, в которых последовательности 28S, 5.8S и 18S соседствуют, разделены короткими внутренне транскрибируемыми спейсерами, и аналогично 45S рДНК находится в пяти разных местах генома, но сгруппирована в соседние повторы. У эубактерий эти гены организованы в опероны. Однако у архебактерий эти гены не являются смежными и не имеют сцепления. [5]

Роль в заболевании человека [ править ]

Выявление генетической основы возбудителя заболевания может быть важным компонентом понимания его последствий и распространения. Расположение и содержание структурных генов может пролить свет на эволюцию вирулентности [6], а также предоставить необходимую информацию для лечения. Точно так же понимание конкретных изменений в последовательностях структурных генов, лежащих в основе увеличения или уменьшения вирулентности, помогает понять механизм, с помощью которого болезни влияют на их хозяев. [7]

Например, было обнаружено , что Yersinia pestis ( бубонная чума ) несет на плазмидах несколько структурных генов вирулентности и воспаления. [8] Аналогичным образом, структурный ген, ответственный за столбняк, также был обнаружен в плазмиде. [9] Дифтерия вызывается бактерией, но только после того, как эта бактерия была инфицирована бактериофагом, несущим структурные гены токсина. [10]

В вирусе простого герпеса структурная последовательность гена, отвечающая за вирулентность, была обнаружена в двух местах в геноме, несмотря на то, что только одно место фактически продуцирует продукт вирусного гена. Было выдвинуто предположение, что это может служить потенциальным механизмом восстановления вирулентности штаммов в случае потери в результате мутации. [11]

Понимание конкретных изменений в структурных генах, лежащих в основе увеличения или уменьшения вирулентности, является необходимым шагом в формировании конкретных методов лечения, а также в изучении возможных медицинских применений токсинов. [10]

Филогенетика [ править ]

Еще в 1974 году сходство последовательностей ДНК было признано ценным инструментом для определения родства между таксонами. [12] Структурные гены в целом более консервативны из-за функциональных ограничений, и поэтому могут оказаться полезными при исследовании более разнородных таксонов. Оригинальный анализ обогащенных образцов на структурные гены путем гибридизации с мРНК. [13]

Более поздние филогенетические подходы сосредоточены на структурных генах с известной функцией, консервативными в разной степени. Последовательности рРНК являются частыми мишенями, поскольку они консервативны у всех видов. [14] Микробиология специально нацелена на ген 16S для определения различий на уровне видов. [15] В таксонах более высокого порядка COI теперь считается «штрих-кодом жизни» и применяется в большинстве случаев биологической идентификации. [16]

Дебаты [ править ]

Несмотря на широко распространенную классификацию генов как структурных или регуляторных, 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 отнести к оригинальной работе 1959 года по экспрессии белка оперона Lac. [18] В этом случае был обнаружен единственный регуляторный белок, который повлиял на транскрипцию других белков, которые, как известно, составляют оперон Lac. С этого момента два типа кодирующих последовательностей были разделены. [18]

Однако все большее количество открытий регуляции генов предполагает большую сложность. Экспрессия структурных генов регулируется множеством факторов, включая эпигенетику (например, метилирование), РНКи и другие. Регуляторные и структурные гены могут одинаково эпигенетически регулироваться, 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 в сворачивании других белков, что, по-видимому, играет регулирующую роль. [19] [20] Тем не менее, эти же белки также помогают в перемещении своих белков-шаперонов через мембраны, [21] и теперь участвуют в иммунных ответах (см. Hsp60 ) [22] и в пути апоптоза (см. Hsp70 ). [23]

Совсем недавно было обнаружено, что микроРНК продуцируются из внутренних транскрибированных спейсеров генов рРНК. [24] Таким образом, внутренний компонент структурного гена, по сути, является регуляторным. Сайты связывания для микроРНК также были обнаружены в кодирующих последовательностях генов. Обычно мешающие 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, снова структурный ген содержит регуляторный компонент. [25]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мюллер-Хилл, Бенно (1996-01-01). Lac Operon: краткая история генетической парадигмы . Вальтер де Грюйтер. ISBN 9783110148305.
  2. ^ Ван, Эрик Т .; Сандберг, Рикард; Ло, Шуцзюнь; Хребтукова Ирина; Чжан, Лу; Майр, Кристина; Кингсмор, Стивен Ф .; Schroth, Gary P .; Бердж, Кристофер Б. (2008). «Альтернативная регуляция изоформ в транскриптомах тканей человека» . Природа . 456 (7221): 470–476. DOI : 10,1038 / природа07509 . PMC 2593745 . PMID 18978772 .  
  3. ↑ Йео, Джин; Холсте, Дирк; Крейман, Габриэль; Бердж, Кристофер Б. (2004-01-01). «Вариации альтернативного сплайсинга в тканях человека» . Геномная биология . 5 (10): R74. DOI : 10.1186 / GB-2004-5-10-R74 . ISSN 1474-760X . PMC 545594 . PMID 15461793 .   
  4. ^ Makałowski, W. (2001-01-01). «Структура и организация генома человека». Acta Biochimica Polonica . 48 (3): 587–598. ISSN 0001-527X . PMID 11833767 .  
  5. ^ Вт, Дж; Зиллиг, В. (1982-11-25). «Организация структурных генов рРНК в архебактериях Thermoplasma acidophilum» . Исследования нуклеиновых кислот . 10 (22): 7231–7245. DOI : 10.1093 / NAR / 10.22.7231 . ISSN 0305-1048 . PMC 327000 . PMID 7155894 .   
  6. ^ Сревацан, Сринанд; Пан, Си; Stockbauer, Kathryn E .; Коннелл, Нэнси Д .; Kreiswirth, Barry N .; Whittam, Thomas S .; Массер, Джеймс М. (1997-09-02). «Ограниченный структурный полиморфизм генов в комплексе Mycobacterium tuberculosis указывает на недавнее эволюционное глобальное распространение» . Труды Национальной академии наук . 94 (18): 9869–9874. DOI : 10.1073 / pnas.94.18.9869 . ISSN 0027-8424 . PMC 23284 . PMID 9275218 .   
  7. ^ Махарадж, Payal D .; Анищенко, Михаил; Langevin, Stanley A .; Фанг, Инь; Райзен, Уильям К .; Браулт, Аарон С. (01.01.2012). «Химеры структурных генов (prME) вируса энцефалита Сент-Луиса и вируса Западного Нила демонстрируют измененные in vitro цитопатический фенотип и фенотип роста» . Журнал общей вирусологии . 93 (1): 39–49. DOI : 10.1099 / vir.0.033159-0 . PMC 3352334 . PMID 21940408 .  
  8. ^ Брубейкер, Роберт Р. (2007-08-01). «Как продукты структурных генов Yersinia pestis связаны с вирулентностью». Будущая микробиология . 2 (4): 377–385. DOI : 10.2217 / 17460913.2.4.377 . ISSN 1746-0921 . PMID 17683274 .  
  9. ^ Финн, CW; Серебро, RP; Хабиг, WH; Hardegree, MC; Zon, G .; Гарон, CF (1984-05-25). «Структурный ген нейротоксина столбняка находится на плазмиде». Наука . 224 (4651): 881–884. DOI : 10.1126 / science.6326263 . ISSN 0036-8075 . PMID 6326263 .  
  10. ^ а б Гринфилд, Л .; Бьорн, MJ; Рог, G .; Fong, D .; Бак, Джорджия; Collier, RJ; Каплан Д.А. (1983-11-01). «Нуклеотидная последовательность структурного гена дифтерийного токсина, переносимого коринебактериофагом бета» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 80 (22): 6853–6857. DOI : 10.1073 / pnas.80.22.6853 . ISSN 0027-8424 . PMC 390084 . PMID 6316330 .   
  11. ^ Книп, Дэвид; Ruyechan, Уильям; Честное слово, Роберт; Ройзман, Бернард (1979). «Молекулярная генетика вируса простого герпеса: концевые последовательности L- и S-компонентов обязательно идентичны и составляют часть структурного картирования генов преимущественно в S-компоненте» (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 76 (9): 4534–4538. DOI : 10.1073 / pnas.76.9.4534 . PMC 411612 . PMID 228300 .   
  12. ^ Мур, RL (1974-01-01). Реассоциация нуклеиновых кислот как индикатор генетического родства между бактериями . Актуальные темы микробиологии и иммунологии . Современные аспекты электрохимии. 64 . С. 105–128. DOI : 10.1007 / 978-3-642-65848-8_4 . ISBN 978-3-642-65850-1. ISSN  0070-217X . PMID  4602647 .
  13. ^ Ангерер, RC; Дэвидсон, EH; Бриттен, Р.Дж. (1976-07-08). «Единственная копия ДНК и взаимосвязь структурных последовательностей генов среди четырех видов морских ежей». Хромосома . 56 (3): 213–226. DOI : 10.1007 / bf00293186 . ISSN 0009-5915 . PMID 964102 .  
  14. ^ Pruesse, E .; Quast, C .; Knittel, K .; Fuchs, BM; Ludwig, W .; Peplies, J .; Глокнер, ФО (2007-12-01). «SILVA: всеобъемлющий онлайн-ресурс для проверенных и согласованных данных о последовательностях рибосомных РНК, совместимых с ARB» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (21): 7188–7196. DOI : 10.1093 / NAR / gkm864 . ISSN 0305-1048 . PMC 2175337 . PMID 17947321 .   
  15. ^ Чун, Jongsik; Ли, Джэ-Хак; Юнг, Юнён; Ким, Мёнджин; Ким, Сейл; Ким, Бьюнг Квон; Лим, Ён-Вун (01.01.2007). «EzTaxon: веб-инструмент для идентификации прокариот на основе последовательностей гена 16S рибосомной РНК» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 57 (10): 2259–2261. DOI : 10.1099 / ijs.0.64915-0 . PMID 17911292 . 
  16. ^ Хеберт, Пол DN; Цивинская, Алина; Болл, Шелли Л .; ДеВаард, Джереми Р. (07.02.2003). «Биологическая идентификация с помощью штрих-кодов ДНК» . Труды Лондонского королевского общества B: биологические науки . 270 (1512): 313–321. DOI : 10.1098 / rspb.2002.2218 . ISSN 0962-8452 . PMC 1691236 . PMID 12614582 .   
  17. ^ a b Пиро, Розарио Майкл (29 марта 2011 г.). «Все ли гены регуляторные гены?». Биология и философия . 26 (4): 595–602. DOI : 10.1007 / s10539-011-9251-9 . ISSN 0169-3867 . 
  18. ^ а б Парди, Артур Б .; Якоб, Франсуа; Моно, Жак (1959-06-01). «Генетический контроль и цитоплазматическое выражение« индуцибельности »в синтезе β-галактозидазы E. coli». Журнал молекулярной биологии . 1 (2): 165–178. DOI : 10.1016 / S0022-2836 (59) 80045-0 .
  19. ^ Хендрик, JP; Хартл, ФУ (1995-12-01). «Роль молекулярных шаперонов в сворачивании белков». Журнал FASEB . 9 (15): 1559–1569. DOI : 10.1096 / fasebj.9.15.8529835 . ISSN 0892-6638 . PMID 8529835 .  
  20. ^ Saibil, Хелен (2013-10-01). «Шаперонные машины для сворачивания, разворачивания и дезагрегации белков» . Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 14 (10): 630–642. DOI : 10.1038 / nrm3658 . ISSN 1471-0072 . PMC 4340576 . PMID 24026055 .   
  21. ^ Koll, H .; Guiard, B .; Rassow, J .; Ostermann, J .; Хорвич, Алабама; Neupert, W .; Хартл, ФУ (1992-03-20). «Антифолдинговая активность hsp60 связывает импорт белка в митохондриальный матрикс с экспортом в межмембранное пространство» (PDF) . Cell . 68 (6): 1163–1175. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (92) 90086-р . ISSN 0092-8674 . PMID 1347713 .   
  22. ^ Хансен, Йенс Дж .; Бросс, Питер; Вестергард, Майкен; Нильсен, Марит Нихольм; Эйберг, Ганс; Børglum, Anders D .; Могенсен, Йенс; Кристиансен, Карстен; Болунд, Ларс (01.01.2003). «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. DOI : 10.1007 / s00439-002-0837-9 . ISSN 0340-6717 . PMID 12483302 .  
  23. ^ Каппелло, Франческо; Ди Стефано, Антонино; Дэвид, Сабрина; Раппа, Франческо; Анзалоне, Рита; Ла Рокка, Джампьеро; Д'Анна, Сильвестро Э .; Магно, 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. DOI : 10.1002 / cncr.22265 . ISSN 0008-543X . PMID 17048249 .  
  24. ↑ Сын, Донг Джу; Кумар, Сандип; Такабэ, Вакако; Ким, Чан Ву; Ни, Чи-Вэнь; Альбертс-Гриль, Ноа; Чан, Ин-Хван; Ким, Сангок; Ким, Ванкю (2013-12-18). «Атипичная механочувствительная микроРНК-712, полученная из прерибосомальной РНК, вызывает эндотелиальное воспаление и атеросклероз» . Nature Communications . 4 : 3000. DOI : 10.1038 / ncomms4000 . ISSN 2041-1723 . PMC 3923891 . PMID 24346612 .   
  25. ^ Форман, Джошуа Дж .; Коллер, Хилари А. (15 апреля 2010 г.). «Код в коде: микроРНК нацелены на кодирующие области» . Клеточный цикл . 9 (8): 1533–1541. DOI : 10.4161 / cc.9.8.11202 . ISSN 1538-4101 . PMC 2936675 . PMID 20372064 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Модель Lac Operon
  • Белковый браузер SGC
  • База данных SILVA выровненных данных последовательностей рРНК
  • База данных Barcode of Life для видов со штрих-кодом COI