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, cd.
 
       Analiza struktury i sposobu działania genu eukariotycznego dowiodła, że maszyneria i sygnały rządzące jego transkrypcją są o wiele bardziej złożone niż sygnały regulacyjne bakterii. Prokarionty mają jeden rodzaj polimerazy RNA, która przeprowadza transkrypcję wszystkich typów genów, a do regulacji ich transkrypcji wykorzystywane są trzy różne typy elementów regulatorowych. Jest to po pierwsze sekwencja promotorowa, określająca, gdzie i z jaką wydajnością rozpoczyna się transkrypcja. U E. coli, na przykład, promotor składa się z dwóch krótkich ciągów nukleotydów DNA znajdujących się o 10 i 35 par zasad przed miejscem rozpoczęcia transkrypcji. Drugi rodzaj elementów regulatorowych określa koniec genu (lub grupy genów) i włącza zakończenie transkrypcji. Trzeci rodzaj to sekwencje DNA otaczające promotor, które są rozpoznawane przez specyficzne białka regulatorowe – represory i aktywatory wpływające na przebieg transkrypcji. Przykładem może być opisany wcześniej, gen β-galaktozydazy E. coli. Wszystkie te sekwencje regulatorowe dzięki związaniu się z białkami wpływają na ekspresję sąsiadujących sekwencji kodujących.
       W odróżnieniu od prokariontów, eukarionty dysponują trzema różnymi polimerazami RNA. Każda polimeraza RNA odpowiada za transkrypcję innej klasy genów. Ponadto każda klasa genów jest funkcjonalnie związana z odmiennymi i specyficznymi sygnałami kontroli i terminacji transkrypcji, mogą one zajmować różne pozycje i znajdować się w różnych odległościach i kierunkach od miejsc, w których transkrypcja rozpoczyna się i kończy.
       Geny rRNA są transkrybowane przez polimerazę I RNA. Enzym ten działa w połączeniu z dodatkowymi białkami regulatorowymi rozpoznającymi sekwencję DNA na 5' końcu genu kodującego rRNA. Niektóre z tych enzymów są specyficzne gatunkowo. Na przykład polimeraza I RNA komórek ludzkich nie transkrybuje genów rRNA muszki owocowej. Polimeraza II RNA transkrybuje wszystkie geny kodujące białka i większość genów kodujących małe jądrowe RNA wchodzące w skład snRNP. Polimeraza III RNA transkrybuje geny kodujące tRNA i małe rRNA. Enzymy te są również zależne od różnorodnych białek regulujących ich działanie. W przeciwieństwie do specyficznej gatunkowo polimerazy I RNA, polimerazy RNA II i III transkrybują odpowiednie geny niezależnie od pochodzenia.
       Zdolność polimerazy RNA do transkrypcji właściwych genów w odpowiednim czasie wynika najczęściej z tego, że wiele różnego rodzaju białek regulatorowych może się wiązać z jedną lub kilkoma różnymi krótkimi sekwencjami DNA w sąsiedztwie genu. Liczba i położenie związanych białek pomocniczych wpływa na wydajność, z jaką polimeraza RNA rozpoczyna transkrypcję genu. W tym sensie logika regulacji transkrypcji u prokariontów i eukarionów jest podobna: specjalny zestaw wiążących białek precyzyjnie rozpoznaje specyficzne sekwencje DNA. Wiele wysiłku włożono już w poznanie mechanizmów specyficznej regulacji transkrypcji, ale ciągle dużo pozostaje do zrobienia. Są już wzmianki, że pewne białka wiążące się ze specyficznymi sekwencjami pełnią kluczową rolę w kierowaniu prawidłowym rozwojem zarodkowym.
       Szczegółowy mechanizm terminacji transkrypcji genów eukariotycznych nadal nie jest jasny. Jednak i tu w zależności od tego, która polimeraza RNA jest wykorzystana, jako sygnały terminacji służą różne charakterystyczne sekwencje nukleotydowe. Sekwencje te są również rozpoznane przez specyficzne białka, które pośredniczą w procesie zakończenia transkrypcji.
       Informacyjny RNA (mRNA), tRNA i rRNA biorą udział w syntezie białek w cytoplazmie. Tak więc prawie wszystkie cząsteczki RNA powstające w jądrach komórek eukariotycznych muszą być przetransportowane przez błonę jądrową do cytoplazmy, aby wypełnić swoje zadanie. Kilka małych RNA zostaje w jądrze, gdzie są konieczne do splicingu i modyfikacji rRNA i tRNA do ich form funkcjonalnych.
       Proces przekształcania pierwotnego transkryptu utworzonego na podstawie genu kodującego białko w dojrzały mRNA jest kilkuetapowy. Zanim z eukariotycznego mRNA zostaną usunięte introny, zawsze dodawana jest do niego czapeczka na 5' końcu. Czapeczka zwiększa wydajność translacji, ułatwiając rybosomom wiązanie się z mRNA. Trzecia modyfikacja towarzysząca formowaniu mRNA zachodzi na 3' końcu łańcucha RNA. Transkrypcja przeprowadzana przez polimerazę II RNA zazwyczaj postępuje aż za 3' koniec sekwencji kodującej białko. 3' koniec mRNA tworzy się w wyniku przecięcia nici RNA w rejonie mniej więcej 20 nukleotydów znajdujących się za specyficzną sekwencją (AAUAAA) położoną za końcem regionu kodującego. Po odcięciu 3' koniec jest modyfikowany przez dodanie od 50 do 200 adenin, tworzących ogon poli-A. Tak więc dojrzała postać mRNA zawiera długi ogon polinukleotydowy nie mający komplementarnego odpowiednika w genie.
       Ekspresja niektórych genów zmienia się w wyniku modyfikacji DNA nie naruszających oryginalnej sekwencji nukleotydów. Jedna z modyfikacji dotyczy cytozyny w sekwencji –C–G– w pobliżu 5' końca genu. Modyfikacja ta polega na dodaniu do cytozyny grupy metylowej (–CH3), reakcja jest katalizowana przez specjalne enzymy metylujące. Zwiększona metylacja w regionie po 5' stronie genu często wiąże się z osłabieniem lub brakiem ekspresji genu, podczas gdy niski poziom metylacji w tym regionie – z wysokim poziomem ekspresji. Na poziom ekspresji genu ma również wpływ struktura chromatyny, czyli DNA związanego z białkami. Jakkolwiek zmiany te są ciągle słabo poznane z chemicznego punktu widzenia, geny mogą stać się niedostępne dla maszynerii transkrypcyjnej, ponieważ chromatyna tworzy wysoce skondensowane struktury. Rozluźnienie skondensowanej chromatyny często zapoczątkowuje transkrypcję w danym regionie.
       Liczne badania nad różnymi genami wskazują, że decydujące znaczenie dla kontroli ekspresji genów u prokariontów mają czynniki włączające i wyłączające transkrypcję. W specjalnych okolicznościach mogą jednak włączyć się również inne mechanizmy kontroli. Obejmują one na przykład kontrolę terminacji transkrypcji, kontrolę translacji oraz regulację czasu, przez który mRNA pozostaje funkcjonalny, zanim zostanie zniszczony. Włączniki i wyłączniki mają również bardzo ważne znaczenie w regulacji transkrypcji genów eukariotycznych. Obecnie istnieją tylko silne przesłanki wskazujące na to, że u eukariontów regulowana jest także terminacja transkrypcji. A także że o tempie produkcji białka decyduje regulacja tempa translacji mRNA i jego rozkładu. Swoiste właściwości komórek eukariotycznych oraz struktury ich genów i genomów przesądzają o sposobach regulacji przepływu informacji genetycznej. Na przykład pierwotny transkrypt RNA nie jest zdolny do działania, dopóki nie zostaną z niego wycięte introny, a eksony połączone. Podobnie transkrypty, żeby mogły brać udział w syntezie białek i stać się mRNA, muszą być zmodyfikowane na obu końcach przez dodanie czapeczek oraz ogonów poli-A. Informacyjne RNA, zanim ulegną translacji, muszą również opuścić jądro i przedostać się przez błonę jądrową do cytoplazmy. Regulacji może podlegać każde z tych wydarzeń.
       Im więcej wiemy o strukturalnej złożoności genów, tym mniej użyteczna staje się klasyczna definicja genu. Oczywiście współczesna definicja genu musi wykraczać poza stwierdzenie, że jest to jednostka dziedziczenia rządząca jedną cechą. Jednakże sformułowanie jednej spójnej definicji molekularnej nie jest proste. Na przykład, czy intron traktować jako część genu? Są przypadki, w których dana sekwencja jest eksonem dla jednego z białek kodowanych przez dany gen lub intronem, jeśli alternatywne składanie prowadzi do powstania innego białka. Czy sekwencja regulatorowa jest częścią genu ? Niektóre sekwencje regulatorowe są oddalone o tysiące par zasad od genu, który kontrolują. A co z sekwencjami nie kodującymi oskrzydlającymi rejon kodujący genu (czyli leżącymi po obu jego stronach), które ulegają transkrypcji i stają się częścią mRNA – czy należy je uznać za część genu? Faktem jest, że istnieje kilka różnych możliwych do przyjęcia definicji, ale żadna z nich nie obejmuje całości zagadnienia w satysfakcjonujący sposób. Żadnej z nich również nie da się zastosować w każdej sytuacji. Najlepszym wyjściem jest opisanie elementów, które zazwyczaj występują w funkcjonalnej jednostce dziedziczenia. Jednak zanim z tej możliwości skorzystamy, przyjrzyjmy się kilku własnościom genu.
       Większość genów zawiera sekwencje nukleotydowe DNA, które będą przepisane zgodnie z kodem genetycznym z odpowiadającego im mRNA, przy udziale tRNA i rybosomów, na białko. Inne geny ulegają transkrypcji do cząsteczek RNA, które współpracują w procesach syntezy białek.
Elementy DNA wchodzące w skład genu
       Biorąc to pod uwagę, moglibyśmy zdefiniować gen jako kombinację odcinków DNA tworzących razem jednostkę ekspresyjną – czyli jednostkę, której ekspresja prowadzi do powstania albo funkcjonalnego RNA, albo polipeptydu. Odcinki genu to, po pierwsze, cały obszar ulegający transkrypcji – jednostka transkrypcyjna. Jednostka transkrypcyjna zawiera sekwencje kodujące w eksonach, jakieś introny oraz sekwencje oskrzydlające 5' i 3' końce sekwencji kodującej, będące w rzeczywistości częściami pierwszego i ostatniego eksonu. Sekwencje leżące poza obszarem transkrybowanym – występujące blisko 5' i 3' końca jednostki transkrypcyjnej, oraz takie, które są oddalone od niego o tysiące par zasad – biorące jednak udział w regulacji transkrypcji genu, też są objęte naszą definicją genu.
       Zgodnie z ogólnie przyjętą konwencją, geny na schematach przedstawia się od lewej do prawej, w kierunku transkrypcji. Nić DNA z taką samą sekwencją nukleotydów jak RNA pokazuje się u góry, 5' końcem po lewej i 3' końcem po prawej; dla wygody pokazuje się często tylko ją. Nić DNA komplementarną do mRNA nazywa się nicią matrycową. Terminy „odcinek 5'” i „odcinek 3'” odnosi się do sekwencji nukleotydowych, odpowiednio poprzedzających i następujących po regionie kodującym.
       Opisaliśmy tu strukturę pojedynczych genów eukariotycznych. Dalej przedstawimy, jak geny i inne sekwencje DNA są zorganizowane w obrębie chromosomów. To tak, jakbyśmy przenieśli naszą uwagę z rozważań o skomplikowanych nowoczesnych drapaczach chmur na rozważania o organizacji całego miasta.
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