Ген транскрипция и трансляция посттрансляционные модификации

Фрагменты нити ДНК и являются тем, что называется генами, т.е. кодирующими участками генома, определяющими структуру пептидных цепей, образующих все белки организма.

Совокупность всех генов составляет геном — полный набор генетической информации, которым обладает организм. каждая клетка любого организма содержит набор генетической информации, реализация которой в природе подчиняется центральной догме молекулярной биологии: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении.

Правило было ещё сформулировано Френсисом криком в 1958 году. Переход генетической информации от ДНк к РНк и от РНк к белку является универсальным для всех без исключения клеточных организмов и лежит в основе биосинтеза макромолекул. процесс перехода от ДНк к РНк называется транскрипцией, а процесс перехода от РНк к белку — трансляцией.

Вряд ли какое-либо другое понятие генетики вызывало такие дискуссии и столь часто подвергалось сомнениям и проверкам, как понятие «ген». термин был предложен в 1909 году швейцарским учёным В. Иогансеном для определения элементарной материальной единицы (фактора) наследственности. В 1950-е годы после известных работ американских исследователей по генетике микробов Бидла и татума понятием «ген» стали обозначать фрагмент ДНк, ответственный за синтез одного белка («один ген — один белок»), в настоящее время доказана неверность такого определения.

В дальнейшем уточнили: один ген — одна полипептидная цепь. Вскоре, однако, была обнаружена «прерывистость» гена. Оказалось, что у всех эукариот, включая человека, в отличие от вирусов, бактерий и даже от ДНк митохондрий, гены в хромосоме представляют собой чередование смысловых (экзоны) и бессмысленных (некодирующих) участков ДНк (интроны).

Первичный продукт транскрипции (гетерогенная РНк), как оказалось, также включает в себя кодирующие и бессмысленные участки, т.е. имеет прерывистую экзонно-интронную структуру. после транскрипции этот первичный РНк-продукт подвергается сплайсингу (процессу вырезания из первичного транскрипта бессмысленных некодирующих интронных последовательностей ДНк) и сшиванию между собой смысловых фрагментов — экзонов.

Возникающий вторичный экзонный продукт транскрипции получил название информационной РНк (иРНк). Именно он поступает из ядра в цитоплазму, где и обеспечивает синтез соответствующего белка.

Чтобы понять, как быстро усложняется понятие «ген» в наше время, существенно отметить, что для многих генов обнаружено явление альтернативного сплайсинга, когда из одного РНк-транскрипта в разных тканях  образуется не один, а несколько разных по длине вторичных иРНк-транскриптов.

Соответственно, синтезированные с них белки (полипептиды) также будут различными. таким образом, одна и та же ДНк-последовательность может кодировать не один, а несколько разных белковых продуктов. Известно, что человек и другие млекопитающие, геномы которых уже секвенированы, имеют почти одинаковое число генов (около 20–25 тысяч), которое почти вдвое превышает таковое у плодовой мушки дрозофилы.

Но реальное число белков в организме человека почти в 10 раз большее, чем число генов, то есть 200–250 тысяч, и доказано, что это обеспечивается процессами сплайсинга и посттрансляционными модификациями.

Посттрансляционные модификации — процессы регуляции на уровне белка, заключаются в ковалентной модификации белков, транслированных с РНк. Они играют ключевую роль в гетерогенности белков, в исключении идентичных белков, их деградации, тканеспецифичности, регуляции активности.

Например, посттрансляционные модификации, осуществляемые на N-конце полипептидной цепи, способствуют транспорту белков через биологические мембраны. Известный транскрипционный фактор р53, выполняющий роль опухолевого супрессора и принимающий участие в регуляции клеточного цикла, подвергается нескольким посттрансляционным модификациям, а именно — фосфорилированию, ацетилированию и гликозилированию.

Данные посттрансляционные модификации помогают белку р53 увеличить количество участков связывания с ДНк. таким образом, посттрансляционные модификации необходимы для изменения конформации, клеточной локализации, активности ферментов и транскрипционных факторов, регуляции белок-белковых взаимодействий и контроля продолжительности «жизни» белков.

Посттрансляционные модификации белков могут осуществляться несколькими способами. На сегодняшний день известно более 100 посттрансляционных модификаций. Наиболее распространёнными и изученными являются:

• гликозилирование — присоединение дополнительного углеводного фрагмента обычно к аспарагину, гидроксилизину, серину или треонину;
• ацетилирование — добавление дополнительной ацетильной группы к N-концу полипептидной цепи;
• метилирование — присоединение дополнительной метильной группы к лизину или аргинину;
• фосфорилирование — присоединение дополнительной фосфатной группы обычно на серин, трионин или тирозин.

Каждый тип посттрансляционных модификаций осуществляется специальными ферментами: известно 500 протеинкиназ (фосфорилирование), 150 фосфотаз, небольшое количество гистоновых ацетилаз (ацетилирование) и деацтилаз (деацетилирование).

Одной из самых распространённых посттрансляционных модификаций белков является фосфорилирование. Фосфорилирование важно для рецепторов, осуществляющих передачу сигнала извне клетки в цитоплазму и ядро. Интересно, что белки могут подвергаться нескольким посттрансляционным модификациям одновременно, и в этом случае одна посттрансляционная модификация может как усиливать, так и ослаблять эффект другой модификации.

Ситуация с определением гена усугубляется ещё и тем, что обнаружены гены, находящиеся внутри (в интронах) другого гена — «ген в гене». так, смысловой ген неизвестной функции найден внутри интрона 23 гена фактора VII свертывания крови. если добавить к этому, что ген как функциональная единица наследственности несёт разные регуляторные элементы в непосредственной близости от начала транскрипции (обычно на 5`- конце ДНк-цепи), внутри транскрибируемого участка ДНК или расположение далеко вне самого гена, становится понятным, как трудно дать исчерпывающее определение гена на современном этапе.

Наконец, в последние годы наряду с обычными структурными генами в геноме человека выявлено ещё около 6000 транскрибируемых локусов. являются ли они генами и какова их функция — пока не известно.

В настоящее время в зависимости от поставленной задачи используют несколько определений понятия «ген». так, в классической генетике его принято определять как картируемый на хромосоме локус, ответственный за тот или иной фенотипический признак. В молекулярной биологии ген рассматривают как ассоциированный с регуляторными последовательностями фрагмент ДНк, соответствующий определённой единице транскрипции.

В программе «Геном человека» за ген принимали единицу транскрипции, которая может быть транслирована в одну или несколько аминокислотных последовательностей. Это определение дано гену как единице подсчета (counting gene) в ходе выполнения программы.

Вместе с тем, как признают многие исследователи, задача идентификации генов даже при наличии известной последовательности ДНк клетки всё ещё остаётся достаточно сложной. проблема подсчёта числа генов осложняется и тем, что наряду с работающими структурными генами в геноме присутствует и значительное число (более 19 000) так называемых псевдогенов, представляющих собой мутантные копии нормальных генов, которые, однако, не способны функционировать вследствие утраты или повреждения жизненно важных элементов.

В настоящее время выделяют, по крайней мере, три основные группы генов:

1. РНк-кодирующие гены.
2. «Структурные» гены — геномные гены, кодирующие структурные белки.
3. Митохондриальные гены.