7.2: Гени та геноми

Last updated
Save as PDF

Page ID: 2523

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Джерело: BiochemFFA_7_1.pdf. Весь підручник доступний безкоштовно від авторів за адресою http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

Вступ

Протягом багатьох років вчені задавалися питанням про природу інформації, яка спрямована на діяльність клітин. Які молекули несли інформацію, і як інформація передавалася з покоління в покоління? Ключові експерименти, проведені між 1920-ми і 1950-х роками, переконливо встановили, що цю генетичну інформацію несе ДНК. У 1953 році з з'ясуванням структури ДНК можна було почати дослідження того, як ця інформація передається, і як вона використовується.

геноми

Ми використовуємо слово «геном» для опису всього генетичного матеріалу клітини. Тобто геном - це вся послідовність нуклеотидів в ДНК, яка є у всіх хромосомах клітини. Коли ми використовуємо термін геном без подальшої кваліфікації, ми, як правило, маємо на увазі хромосоми в ядрі еукаріотичної клітини. Як відомо, еукаріотичні клітини мають такі органели, як мітохондрії та хлоропласти, які мають власну ДНК (рис. 7.1 та 7.2). Вони називаються геномами мітохондрій або хлоропласту, щоб відрізнити їх від ядерного генома.

Починаючи з 1980-х років, вчені почали визначати повну послідовність геномів багатьох організмів, в надії краще зрозуміти, як послідовність ДНК визначає клітинні функції. Сьогодні повні послідовності геному були визначені для тисяч видів з усіх областей життя, і багато інших знаходяться в процесі розробки групами вчених по всьому світу.

Малюнок 7.1 - Мітохондрії несуть власний геном

Малюнок 7.2 - Геном мітохондрій людини - Вікіпедія

Глобальна ініціатива генома

Глобальна ініціатива геному, спільні зусилля щодо послідовності принаймні одного виду з кожного з 9500 описаних безхребетних, хребетних та рослинних сімей є одним з багатьох таких підприємств. Інформація від цих різних зусиль збирається у величезних онлайн-сховищах, щоб вона була у вільному доступі для вчених. Оскільки бази даних послідовності збирають все більше інформації, виникли поля обчислювальної біології та біоінформатики для аналізу та організації даних таким чином, що допомагає біологам зрозуміти, що означає інформація в ДНК в клітинному контексті.

гени

Протягом багатьох років відомо, що фенотипічні риси контролюються конкретними областями ДНК, які називалися «генами». Таким чином, ДНК передбачалася як довга низка нуклеотидів, в якій певні регіони, гени, були розділені некодуючими областями, які просто називалися інтергенними послідовностями (inter=betwen; genic=of genes). Ранні експерименти в молекулярній біології припускали просту залежність між послідовністю ДНК гена і його продуктом, і змусили вчених вважати, що кожен ген несе інформацію для одного білка. Зміни або мутації в базовій послідовності гена відображалися б у зміні генного продукту, який, в свою чергу, проявився б у фенотипі або спостережуваної ознаці. Ця проста картина, хоча і ще корисна, була змінена наступними відкриттями, які продемонстрували, що використання генетичної інформації клітинами дещо складніше. Наше визначення гена також розвивається, щоб врахувати нові знання.

Малюнок 7.3 - Від геномів до генів - Вікіпедія

Малюнок 7.4 - Гени людини, відсортовані за класами

Питання розміру

Здоровим глуздом припущення про геноми було б те, що якщо гени вказують білки, то чим більше білків виробляє організм, тим більше генів йому потрібно мати, і, отже, тим більшим буде його геном. Порівняння різних геномів показує, на подив, що не обов'язково існує пряма залежність між складністю організму і розмірами його генома (рис. 7.5). Щоб зрозуміти, як це може бути правдою, необхідно визнати, що, хоча гени складаються з ДНК, вся ДНК не складається з генів (для цілей нашого обговорення ми визначаємо ген як розділ ДНК, який кодує РНК або білковий продукт). У геномі людини менше 2% загальної ДНК, здається, є своєрідною послідовністю кодування, яка спрямовує синтез білків. Протягом багатьох років некодуюча ДНК в геномах вважалася марною, і її описували як «небажану ДНК», хоча дивувало, що, здавалося, було так багато «марної» послідовності. Однак останні відкриття продемонстрували, що значна частина цієї так званої небажаної ДНК може відігравати важливу роль в еволюції, а також у регуляції експресії генів.

Малюнок 7.5 - Розміри різних геномів - Вікіпедія

Інтрони

Отже, що там робить вся некодуюча ДНК? Ми знаємо, що навіть області кодування в нашій ДНК перериваються некодуючими послідовностями, які називаються інтронами. Це справедливо для більшості еукаріотичних геномів. Дослідження генів у еукаріотів показує, що некодуючі інтронні послідовності можуть бути набагато довшими, ніж кодуючі ділянки гена, або екзони. Більшість екзонів відносно невеликі, і код для менш ніж ста амінокислот, тоді як інтрони можуть варіюватися за розміром від декількох сотень базових пар до багатьох пар кілобаз (тисячі пар основ) в довжину. Для багатьох генів у людини існує набагато більше інтронної послідовності, ніж послідовність кодування (вона ж ексон). Послідовності інтронів становлять приблизно чверть геному у людини.

Інші послідовності, що не кодують

Які ще існують види некодуючих послідовностей? Одна функція для деяких послідовностей ДНК, які не кодують РНК або білки, полягає у визначенні, коли і в якій мірі ген використовується або виражений. Такі ділянки ДНК називаються регуляторними областями і кожен ген має одну або кілька регуляторних послідовностей, які контролюють його експресію. Однак регуляторні послідовності також не враховують всю решту ДНК у наших геномах.

Транспонуються послідовності

Дивно, але майже половина людського генома, здається, складається з декількох видів повторюваних послідовностей. Відомо, що багато повторюваних послідовностей є транспозованими елементами (транспозонами), ділянками ДНК, які можуть переміщатися всередині генома. Іноді називають «стрибаючими генами», ці транспозірувані елементи можуть переміщатися з одного хромосомного місця в інше, або за допомогою простого механізму «вирізати і вставити», який вирізає послідовність з однієї області ДНК і вставляє її в інше місце, або через процес, який називається ретротранспозицією. за участю проміжного РНК.

ЛІНІЇ ТА СИНУСИ

У наших геномах є мільйони копій кожного з двох основних класів таких транспозіруваних елементів, Lines (Long Interspersed Elements) та SINE (Short Interspersed Elements).

Лінії та SINE є своєрідним транспозованим елементом, який називається ретротранспозонами, послідовностями, які копіюються в РНК, а потім зворотно транскрибуються назад в ДНК перед вставкою в нові місця. Цей рух, як правило, не є специфічним для послідовності, що означає, що транспозони можуть бути вставлені випадковим чином в геном, у багатьох випадках в області кодування. Як і слід було очікувати, це може порушити функцію гена. Транспозони можуть також вставлятися в регуляторних областях та змінювати експресію генів, які вони контролюють. Як основна причина мутації в геномах, транспозони відіграють важливу роль в еволюції.

Нарешті, останні результати показали, що значна частина генома транскрибується в РНК, хоча лише близько 2% кодує білки. Що таке РНК, які не кодують білки? Рибосомні РНК (рис. 7.7) та передавальні РНК разом з малими ядерними РНК, які функціонують при зрощенні, складають деякі з цих неперекладених стенограм, але не всі. Решта РНК є регуляторними РНК, малими молекулами, які відіграють важливу роль у регулюванні експресії генів. Оскільки ми більше розуміємо про геноми, стає очевидним, що так звана «сміттєва» ДНК - це не що інше.