Biologia
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Biologia > Genetyka > Genetyka molekularna 
  Indeks
Genetyka
Historia odkryć . . .
Podstawy genetyki
Genetyka molekularna
Klonowanie genów
Sekwencjonowanie . .
Struktura genu i . . .
Wielkość genomu
Specjalistyczne . . .
Czynniki . . .
Geny i ewolucja
Świat wirusów i . . .
Inżynieria genetyczna
Słowniczek
  Źródło
Wybrane fragmenty pochodzą z książki
Język genów autorstwa Paul'a Berg'a i Maxine Singer


  Struktura genu i jego regulacja
 
Struktura genu
 
J
eszcze długo przedtem, nim można było bezpośrednio badać strukturę genu eukariotycznego, wiedziano, że systemy genetyczne prokariontów i eukariontów pewne podstawowe cechy mają wspólne. Ich materiałem genetycznym jest DNA powielający się w podobny sposób, informacja przepływa od DNA do RNA i od RNA do białek, a kod genetyczny jest taki sam. Spodziewano się – prawidłowo, co wiadomo obecnie – że organizmy eukariotyczne, zwłaszcza wielokomórkowe, mogą mieć więcej genów niż prokarionty. Zakładano też powszechnie – co okazało się błędem – że podstawowa struktura genu i organizacja informacji genetycznej w obu typach genomów będzie podobna. Te dwa ostatnie założenia zostały obalone prawie natychmiast po przeanalizowaniu pierwszego eukariotycznego genu i genomu.
       Pod koniec lat siedemdziesiątych stało się jasne, że w genie eukariotycznym sekwencja kodująca białko nie musi być jednym ciągłym odcinkiem DNA, tak jak w genie bakteryjnym. Przeciwnie – region kodujący jest często nieciągły, przerywany odcinkami nie kodującego DNA. Nie kodujące odcinki DNA zwane są intronami, a odcinki kodujące genów, odpowiedzialne de facto za syntezę polipeptydu – eksonami1.
Ułożenie sekwencji kodujących (eksony) i nie kodujących (introny) w genie eukariotycznym
       Pierwsze przesłanki o istnieniu intronów pochodzą z badań nad wirusami zwierzęcymi. Wbrew oczekiwaniom, sekwencje nukleotydowe różnych wirusowych mRNA nie dawały się „przyłożyć” do odpowiednich sekwencji nukleotydowych wirusowego DNA. Wyglądało na to, że mRNA jest utworzony tylko z niektórych sekwencji obecnych w wirusowym DNA, z którego był transkrybowany. Podobnych odkryć dokonano w genach komórkowych ssaków. Na przykład gen kodujący łańcuch β hemoglobiny (ten sam, który jest zmutowany w anemii sierpowatej) odpowiadał kilku fragmentom DNA powstałym w wyniku trawienia enzymami restrykcyjnymi całkowitego komórkowego DNA. Jednocześnie stwierdzono, że fragmenty te liczyły w sumie o wiele więcej par zasad niż wynosiła liczba nukleotydów mRNA. Także i ten fakt wskazywał na to, że odcinki DNA transkrybowane na mRNA łańcucha β są nieciągłe, inaczej niż we wszystkich znanych dotychczas genach prokariotycznych. Okazało się, że sekwencje jednego genu mogą być rozsiane po kilku oddzielnych regionach chromosomowego DNA.
 
Introny w niektórych genach*
 
Eksony
Introny


Gen
Organizm
Całkowita liczba
par zasad
Liczba
Całkowita liczba
par zasad
tRNA
tyrozyny
   drożdże 76    1    14   
podjednostka
urikazy
   soja 300    7    4 500   
łańcuch β
hemoglobiny
   mysz 432    2    762   
reduktaza
dihydrofolianowa
   mysz 568    5    31 500   
erytropoetyna    człowiek 582    4    1 562   
zeina    kukurydza 700    0    0   
fazeolina    fasola 1 263    5    515   
fosforobozylo-
-hipoksyntynylo
transferaza
   mysz 1 307    8    32 000   
deaminaza
adenozynowa
   człowiek 1 500    11    30 000   
cytochrom b    drożdże
(mitochondria)
2 200    6    5 100   
receptor dla
lipoproteiny
o niskiej gęstości
   człowiek 5 100    17    40 000   
witellogenina    ropucha 6 300    33    8 500   
tyreoglobulina    człowiek 8 500    >40    100 000   
czynnik VIII
krzepnięcia
   człowiek 9 000    25    177 000   
fibroina (jedwabiu)    jedwabnik 18 000    1    970   
*Nazwa genów pochodzi od białek, które kodują. Wybrano takie geny, które dobrze ilustrują zróżnicowanie genów oraz dużą ilość DNA obecnego w intronach.
 
       Obecnie wiemy, że większość (chociaż nie wszystkie) genów kodujących polipeptydy u kręgowców i roślin zawiera co najmniej jeden intron, a niektóre o wiele więcej. W genach drożdży i bezkręgowców introny występują rzadziej. Geny, które kodują cząsteczki funkcjonalnego RNA (jak tRNA lub rRNA), również mogą zawierać introny, ale przerwy te są występują zdecydowanie rzadziej niż w genach kodujących mRNA. W wielu genach ilość DNA w intronach przewyższa ilość DNA eksonów, może go być dziesięć razy więcej, a w niektórych przypadkach nawet ponad sto razy więcej.
       Warto zapamiętać ważną różnicę między prokariontami a eukariontami. U prokariontów nie ma fizycznej bariery między miejscem transkrypcji DNA a rybosomami, których obecność jest niezbędna do procesu translacji. U prokariontów rybosomy wiążą się z mRNA i rozpoczynają syntezę białek jeszcze nawet przed zakończeniem transkrypcji. Natomiast u organizmów eukariotycznych mRNA (podobnie jak tRNA i rRNA) powstaje w jądrze, gdzie nie ma rybosomów. Żeby mógł on ulec translacji, musi być najpierw przetransportowany przez otoczkę jądrową do cytoplazmy, miejsca syntezy białek. Pierwsze badania nad RNA w jądrach komórek eukariotycznych dały zadziwiające wyniki. Cząsteczki RNA były zazwyczaj o wiele dłuższe, niż się spodziewano, i bardzo zróżnicowane pod względem wielkości. Ponadto większość RNA powstałego w jądrze w ogóle nie dostawała się do cytoplazmy.
       Występowanie intronów i nieprawdopodobna wręcz różnorodność ich wielkości i liczby wyjaśnia tę osobliwość. Kiedy transkrybowane są geny jądrowe, polimeraza RNA rozpoczyna ich kopiowanie w punkcie odpowiadającym 5' końcowi mRNA. Enzym kopiuje eksony i introny genu, aż do jego końca. Ponieważ nici RNA powstałe w jądrze zawierają zarówno eksony, jak i introny o bardzo różnych rozmiarach, nie dziwi więc różnorodność RNA pod względem rozmiarów. Natomiast dojrzały mRNA w cytoplazmie jest całkowicie pozbawiony intronów. Istnieją specjalne mechanizmy, dzięki którym z jądra do cytoplazmy przechodzi tylko mRNA nie zawierający intronów.
       Introny w transkryptach RNA tworzonych w jądrze są usuwane dzięki mechanizmowi, który nosi angielską nazwę splicing (czyt.: splaising), co oznacza po polsku cięcie i składanie. W procesie tym RNA jest przecinany na styku intronu z eksonami, a następnie sąsiednie eksony są ze sobą łączone, dzięki czemu powstaje ciągła seria eksonów zawierająca sekwencję kodującą. Chociaż opis tego procesu wydaje się prosty, do zachowania jego dokładności niezbędna jest niezawodna maszyneria komórkowa. Tylko wówczas gdy przecięcie przy obu końcach intronu będzie precyzyjne, i jeśli wszystkie, i to całe, eksony zostaną połączone w odpowiednim porządku, mRNA może ulec translacji do właściwego produktu białkowego. W żadnym eksonie nie może zostać utracony ani jeden nukleotyd.
       W większości przypadków proces cięcia i składania katalizują małe cząstki jądrowe – snRNP (small nuclear ribonucleoprotein, co znaczy: małe (krótkie) jądrowe kompleksy RNA–białko). snRNP są zbudowane z białek i specyficznych małych jądrowych RNA. Rozpoznają one i przyłączają się do charakterystycznych krótkich sekwencji nukleotydowych występujących wewnątrz wszystkich intronów i na obu ich końcach. Po przyłączeniu na styku intron–ekson snRNP rozszczepiają nić RNA i łączą odpowiednie odcięte końce w ciągłą nić RNA. Istnieją jednak introny, które radzą sobie same i wycinają się z RNA bez pomocy snRNP czy jakichkolwiek innych białek. Taki intron zwija się w określony sposób, a wówczas wycięcie intronów oraz połączenie eksonów odbywa się spontanicznie i bez żadnej interwencji z zewnątrz (na przykład bez pomocy białek). Samodzielne składanie uznaje się powszechnie za ewolucyjny poprzednik współczesnego, w którym pośredniczą snRNP.
       Najczęściej w wyniku cięcia i składania zostają wycięte wszystkie introny, a jednocześnie zachowane zostają wszystkie eksony w wyjściowej kolejności, dając ciągłą sekwencję pojedynczego mRNA. Jednakże odbywa się to na wiele sposobów: ekson w całości lub w części może być potraktowany jak intron i usunięty podczas tego procesu. W rezultacie z tej samej nici RNA może powstać kilka różnych mRNA. Na rycinie poniżej pokazano powstawanie dwu różnych mRNA, w zależności od tego, które eksony zostaną połączone. Każdy mRNA ma inny zestaw eksonów, dlatego każdy koduje białko o innej sekwencji aminokwasowej. Opisane wyżej alternatywne składanie ma duże znaczenie, ponieważ zapewnia skuteczną produkcję różnych białek z jednego genu bez zmian struktury jego DNA. Ponadto proces ten może być regulowany, dzięki czemu gen może ulegać ekspresji na danym etapie rozwoju i w danej tkance w jeden sposób, a na innym etapie i w innej tkance – w odmienny.
Przykłady alternatywnego splicingu
       Różnica między sekwencją nukleotydową genu eukariotycznego i odpowiadającego mu mRNA ma poważne konsekwencje. Klon cDNA sporządzony z bakteryjnego RNA oddaje sekwencję odpowiedniego mRNA i przez to sekwencję genu. Natomiast klon cDNA reprezentujący eukariotyczny mRNA jej nie odzwierciedla, ponieważ mRNA jest pozbawiony intronów, które w genomie występują. Jednakże porównanie struktur cDNA i odpowiadających im genów daje istotną informację o położeniu i długości intronów; dzięki takim analizom zdobyto dane zamieszczone w tabeli powyżej.

1 Ich nazwy pochodzą od określeń angielskich – introny to sekwencje przerywające (intervenning sequences), a eksony – sekwencje ulegające ekspresji (przyp. tłum.)
góra strony
poprzedni esej
  
[1]
  
[2]
  
następny esej
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach