И.Ф. Жимулев - Современные представления о структуре гена у эукариот (статья) (1117882), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Ф . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е П Р Е Д С ТА В Л Е Н И Я О С Т Р У К Т У Р Е Г Е Н А У Э У К А Р И О Т21БИОЛОГИЯ%%20аДрожжи (S. cerevisiae)95%8060бГрибы1040030202017%030Насекомые20Дрозофила (D. melanogaster)10100300150101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1617 18 19 20%202030–3040–40–5>5005Растения206%10Млекопитающиев16030Позвоночные201281040<50 50–110 00– 015 150– 020 200– 025 250– 030 300– 040 400– 050 500– 0600>600<0, 0,11–0, 0,22–0,0, 55–11–22–55–110 0–225 5–50 50–1000Рис.
4. Частоты встречаемости генов, имеющих различные числа экзонов (а), а также экзонов (б ) или интронов (в), имеющих различную длину. По оси ординат – частота встречаемости (в %), по оси абсцисс: а – число экзонов в одном гене, б – длина экзона (в п.н.), в – длинаинтрона (в т.п.н.) (из [6])один-единственный активирующий сигнал (гормон)включает только один ген, но синтезируется много различных белков за счет альтернативного сплайсинга.Альтернативный сплайсинг играет огромную рольв различных биологических процессах.
Например, длятого чтобы сформировался мужской пол у дрозофилы,происходит трансляция одного набора экзонов, дляформирования женского пола транслируется другой набор экзонов. И то и другое происходит на одном и томже гене Sxl (см. [8]).Обычно экзоны в ходе альтернативного сплайсинга выстраиваются в той же ориентации и в том же порядке, в каком они располагаются в гене. Если ген содержит всего шесть экзонов, например с 1-го по 6-й, водном типе матричной РНК они могут располагаться впорядке 1,2,3,4,5,6, в других РНК порядок может бытьдругим, например, 2,5,6 или 1,3,5.Удивительные случаи процессинга геномной ДНКобнаружены в геномах инфузорий, таких, например,как всем известной туфельки. Прежде нужно описатьпроцесс формирования наследственного аппарата у этих22одноклеточных животных.
Дело в том, что у инфузорийфункционируют два ядра: макронуклеус и микронуклеус и наследственная информация организована поразному. Микронуклеус является покоящимся ядром, вкотором хромосомы находятся в компактном состоянии, он служит для передачи наследственного материала от поколения к поколению. Другое дело – макронуклеус. Это трофическое ядро, хромосомы в немнаходятся в активном состоянии – они поставляют информацию для процессов жизнедеятельности этого одноклеточного организма.
На начальных этапах развития инфузории хромосомный материал макронуклеусаиспытывает серию сложных превращений. Сначала хромосомы политенизируются, то есть в ядре проходитпримерно десять циклов репликации, и все вновь образованные хромосомы остаются тесно связанными другс другом, образуя пучок хромосом или политеннуюхромосому (см. [9]) с характерным рисунком сильноокрашенных поперечно расположенных хромомеров исветлых неокрашенных межхромомерных участков. Затем политенная хромосома как бы разрезается поперекС О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 7 , 2 0 0 0БИОЛОГИЯт.п.н.а100120Экзоны 11401601802 3 4562007 82209 10бz1Коровыйэкзонz2 z3вAnAnAnAnРис.
5. Система экзонов и интронов в гене BroadComplex у дрозофилы: а – карта фрагмента ДНК ототметки 100 до 220 т.п.н., в котором располагаетсяген Broad-Complex; б – экзоны с 1-го по 10-й; в – 11различных мРНК, возникших за счет альтернативного сплайсинга. Синим цветом изображены участкимРНК, соответствующие экзонам, тонкими линиямимежду экзонами показаны участки гена, не представленные в данной мРНК (из [2])на несколько тысяч долек, в каждой из которых находится один или несколько хромомеров. Каждая долькаобтянута особой белковой оболочкой, формируя пузырек. Таким образом, на этой стадии развития в созревающем макронуклеусе находятся тысячи пузырьков, вкаждом из которых располагается один или несколькохромомеров.
В пузырьках происходит созревание наследственного материала: из фрагмента хромосомы удаляется и переваривается вся ДНК, не имеющая отношения к кодированию наследственной информации,например межгенные участки, мобильные элементыгенома, а также участки, соответствующие интронам.Обычно интроны удаляются во время процессингапромРНК. В случае инфузорий фрагменты, соответствующие интронам, удаляются в самой ДНК. Но чтосовсем удивительно – происходит перестановка участков, соответствующих экзонам. Например, в микронуклеарной ДНК девять кодирующих участков гена актинаI у инфузории Oxytricha nova расположены в следующейпоследовательности: 3,4,6,5,7,9,2,1,8.
После процессинга геномной ДНК эти участки занимают положениев ряду с 1-го по 9-й, и только такая их последовательность дает функциональный белок. Еще более впечатляет реорганизация гена aTBP, который в микронуклеусесодержит 14 кодирующих фрагментов, расположенныхв порядке 1,3,5,7,9,11,2,4,6,8,10,12,13,14, а нормальный по нумерации порядок с 1-го по 14-й образуется всозревшем макронуклеусе. Таких примеров уже много.Неясно, почему информация, кодирующая белок, хранится в микронуклеусе в одном порядке, а функционирует в макронуклеусе – в другом. Непонятно также, покакой программе происходит правильная сшивка экзонов в макронуклеусе и с помощью каких молекулярныхмеханизмов осуществляется эта программа.Довольно долго обсуждался вопрос, является линеобходимым присутствие интронов в генах.
Действительно, в некоторых случаях удаление интронов приводило к гибели организма. В этом нет ничего удивительного, если вспомнить об альтернативном сплайсинге.В этом случае (см. рис. 5) в мРНК, содержащей 1, 6 и7-й экзоны, между экзонами 1 и 6 находится как быодин длинный интрон. Однако удалить его из геноманельзя, так как в нем располагаются экзоны со 2-го по5-й, которые необходимы для функционирования белков во многих других тканях.Есть и другая причина.
Довольно часто в пределахинтрона одного гена находится другой ген. Например,у дрозофилы известен ген Gart, занимающий на картеДНК 47 т.п.н. и состоящий из семи экзонов, разделенных интронами. В самом большом из них располагается другой ген куколочного кутикулярного белка, длиной всего 0,9 т.п.н. Этот ген также имеет интрон. Такихгенов открывают все больше и больше.Удивительным по сложности организации и величине интронов является ген dnc у дрозофилы, которыйконтролирует способность к обучению. Ген занимаетминимум 130 т.п.н.
и содержит 13 экзонов. Между двумя первыми экзонами имеется интрон длиной 40 т.п.н.,в котором расположено несколько генов, кодирующихбелок секреции слюнных желез. Между 2-м и 3-м экзонами, в интроне длиной 70 т.п.н., располагаются ещечетыре гена, функции которых неизвестны.Рассмотренные результаты исследований, проведенных главным образом в 90-е годы, свидетельствуютоб исключительной сложности основной единицы наследственной информации – гена. Существует сложнейшая контролирующая зона и не менее сложная кодирующая.
Накопление столь существенного объемаинформации об организации гена позволяет вплотнуюподойти к осуществлению манипуляций с генетическим материалом во всевозрастающих объемах.Ж И М УЛ Е В И . Ф . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е П Р Е Д С ТА В Л Е Н И Я О С Т Р У К Т У Р Е Г Е Н А У Э У К А Р И О Т23БИОЛОГИЯЛИТЕРАТУРА1. Гвоздев В.А. Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции // Соросовский Образовательный Журнал.
1996. № 1. С. 23–31.2. Жимулев И.Ф. Хромомерная организация политенных хромосом. Новосибирск: Наука, 1994. 564 с.Рецензенты статьи В.А. Гвоздев, Л.И. Корочкин3. Овчинников Л.П. Что и как закодировано в мРНК // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 4. С. 10–18.***4. Сойфер В.Н. Исследования геномов к концу 1999 года // Тамже.
2000. Т. 6, № 1. С. 15–22.Игорь Федорович Жимулев, доктор биологическихнаук, профессор кафедры цитологии и генетики Новосибирского государственного университета, зав.лабораторией молекулярной цитогенетики Институтацитологии и генетики СО РАН, член-корреспондентРАН, академик Европейской академии наук и РАЕН.Область научных интересов – молекулярная организация хромосом. Автор более 200 научных публикаций, втом числе шести монографий по проблемам организации хромосом.5. Alberts B., Bray D., Lewis J. et al.
Molecular Biology of the Cell.3rd ed. Inc. N.Y.; L.: Garland Publ., 1994. P. 421–432.6. Lewin B. Genes. 5th ed. Oxford; N.Y.; Tokyo: Oxford Univ.Press, 1994. P. 1–1272.7. Struhl K. Chromatin Structure and RNA Polymerase II Connection: Implications for Transcription. Cell 84, 179–182, 1996.8. Жимулев И.Ф. Как гены контролируют развитие пола у дрозофилы // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 12.С. 17–22.249.
Жимулев И.Ф. Современные представления об организациии функционировании полигенных хромосом // Там же. № 11.С. 2–7.С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 7 , 2 0 0 0.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
