Struktura genów
Struktura genu to organizacja wyspecjalizowanych elementów sekwencji w obrębie genu . Geny zawierają większość informacji niezbędnych żywym komórkom do przeżycia i rozmnażania się. W większości organizmów geny są zbudowane z DNA, a konkretna sekwencja DNA określa funkcję genu. Gen jest transkrybowany (kopiowany) z DNA do RNA , które może być niekodujące ( ncRNA ) o bezpośredniej funkcji lub pośredni przekaźnik ( mRNA ), który jest następnie tłumaczony na białko . Każdy z tych etapów jest kontrolowany przez określone elementy sekwencji lub regiony w obrębie genu. Dlatego każdy gen wymaga wielu elementów sekwencji, aby działał. Obejmuje to sekwencję, która faktycznie koduje funkcjonalne białko lub ncRNA, jak również wiele regionów sekwencji regulatorowych . Regiony te mogą być tak krótkie, jak kilka par zasad , do wielu tysięcy par zasad.
Znaczna część struktury genów jest zasadniczo podobna u eukariontów i prokariotów . Te wspólne elementy w dużej mierze wynikają ze wspólnego pochodzenia życia komórkowego w organizmach ponad 2 miliardy lat temu. Kluczowe różnice w strukturze genów między eukariotami a prokariotami odzwierciedlają ich rozbieżne mechanizmy transkrypcji i translacji. Zrozumienie struktury genów jest podstawą zrozumienia adnotacji , ekspresji i funkcji genów .
Wspólne cechy
Struktury zarówno genów eukariotycznych, jak i prokariotycznych obejmują kilka zagnieżdżonych elementów sekwencji. Każdy element pełni określoną funkcję w wieloetapowym procesie ekspresji genów . Sekwencje i długości tych elementów są różne, ale te same ogólne funkcje są obecne w większości genów. Chociaż DNA jest cząsteczką dwuniciową, zazwyczaj tylko jedna z nici koduje informacje, które odczytuje polimeraza RNA w celu wytworzenia mRNA kodującego białko lub niekodującego RNA. Ta nić „sensowna” lub „kodująca” biegnie w kierunku od 5' do 3', gdzie liczby odnoszą się do atomów węgla cukru rybozy w szkielecie . Otwarta ramka odczytu (ORF) genu jest zatem zwykle przedstawiana jako strzałka wskazująca kierunek, w którym odczytywana jest nić sensowna.
Sekwencje regulatorowe znajdują się na końcach genów. Te regiony sekwencji mogą znajdować się obok regionu transkrybowanego ( promotor ) lub oddzielone wieloma kilozasadami ( wzmacniacze i wyciszacze ). Promotor znajduje się na końcu 5' genu i składa się z sekwencji głównego promotora i proksymalnej sekwencji promotora. Promotor rdzeniowy wyznacza miejsce startu transkrypcji, wiążąc polimerazę RNA i inne białka niezbędne do kopiowania DNA na RNA. Proksymalny region promotora wiąże czynniki transkrypcyjne , które modyfikują powinowactwo promotora rdzenia do polimerazy RNA. Geny mogą być regulowane przez liczne sekwencje wzmacniające i wyciszające, które dodatkowo modyfikują aktywność promotorów przez wiązanie białek aktywujących lub represorowych . Wzmacniacze i tłumiki mogą znajdować się daleko od genu, w odległości wielu tysięcy par zasad. Wiązanie różnych czynników transkrypcyjnych reguluje zatem szybkość inicjacji transkrypcji w różnym czasie iw różnych komórkach.
Elementy regulatorowe mogą nakładać się na siebie, a odcinek DNA może wchodzić w interakcje z wieloma konkurencyjnymi aktywatorami i represorami, a także polimerazą RNA. Na przykład, niektóre białka represorowe mogą wiązać się z promotorem rdzenia, aby zapobiec wiązaniu polimerazy. W przypadku genów z wieloma sekwencjami regulatorowymi szybkość transkrypcji jest iloczynem wszystkich połączonych elementów. Wiązanie aktywatorów i represorów z wieloma sekwencjami regulatorowymi ma kooperatywny wpływ na inicjację transkrypcji.
Chociaż wszystkie organizmy używają zarówno aktywatorów transkrypcji, jak i represorów, mówi się, że geny eukariotyczne są „domyślnie wyłączone”, podczas gdy geny prokariotyczne są „domyślnie włączone”. Promotor rdzeniowy genów eukariotycznych zazwyczaj wymaga dodatkowej aktywacji przez elementy promotora, aby nastąpiła ekspresja. Z kolei promotor rdzeniowy genów prokariotycznych jest wystarczający do silnej ekspresji i jest regulowany przez represory.
 |
Dodatkowa warstwa regulacji występuje dla genów kodujących białka po przetworzeniu mRNA w celu przygotowania go do translacji na białko. Tylko region pomiędzy start i stop koduje końcowy produkt białkowy. Flankujące regiony nieulegające translacji (UTR) zawierają dalsze sekwencje regulatorowe. 3 ' UTR zawiera sekwencję terminatora , która wyznacza punkt końcowy transkrypcji i uwalnia polimerazę RNA. 5 ' UTR wiąże rybosom , który tłumaczy region kodujący białko na ciąg aminokwasów , które fałdują się , tworząc końcowy produkt białkowy. W przypadku genów niekodujących RNA, RNA nie ulega translacji, ale zamiast tego fałduje się , aby być bezpośrednio funkcjonalnym.
eukarionty
Struktura genów eukariotycznych zawiera cechy niespotykane u prokariotów. Większość z nich dotyczy potranskrypcyjnej modyfikacji pre -mRNA w celu wytworzenia dojrzałego mRNA gotowego do translacji na białko. Geny eukariotyczne zazwyczaj mają więcej elementów regulatorowych do kontrolowania ekspresji genów w porównaniu z prokariotami. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku wielokomórkowych eukariotów, na przykład ludzi, gdzie ekspresja genów różni się znacznie w różnych tkankach .
Kluczową cechą struktury genów eukariotycznych jest to, że ich transkrypty są zazwyczaj podzielone na regiony eksonów i intronów . Regiony eksonu są zatrzymywane w ostatecznej dojrzałej cząsteczce mRNA , podczas gdy regiony intronu są wycinane (wycinane) podczas przetwarzania potranskrypcyjnego. Rzeczywiście, regiony intronów genu mogą być znacznie dłuższe niż regiony eksonów. Po splicingu eksony tworzą pojedyncze ciągłe regiony kodujące białka, a granice splicingu są niewykrywalne. Eukariotyczne przetwarzanie posttranskrypcyjne dodaje również czapeczkę 5 ' na początku mRNA i ogon poliadenozynowy na końcu mRNA. Dodatki te stabilizują mRNA i kierują jego transportem z jądra do cytoplazmy , chociaż żadna z tych cech nie jest bezpośrednio zakodowana w strukturze genu.
Prokarionty
|
|
Ogólna organizacja genów prokariotycznych znacznie różni się od organizacji eukariontów. Najbardziej oczywistą różnicą jest to, że prokariotyczne ORF są często grupowane w policistronowy operon pod kontrolą wspólnego zestawu sekwencji regulatorowych. Wszystkie te ORF są transkrybowane na ten sam mRNA, a zatem są współregulowane i często pełnią powiązane funkcje. Każda ORF zazwyczaj ma swoje własne miejsce wiązania rybosomu (RBS), tak że rybosomy jednocześnie tłumaczą ORF na tym samym mRNA. Niektóre operony wykazują również sprzężenie translacyjne, w którym szybkości translacji wielu ORF w operonie są połączone. Może się to zdarzyć, gdy rybosom pozostaje przyczepiony na końcu ORF i po prostu przemieszcza się do następnego bez potrzeby stosowania nowego RBS. Sprzężenie translacyjne obserwuje się również, gdy translacja ORF wpływa na dostępność następnego RBS poprzez zmiany w drugorzędowej strukturze RNA. Posiadanie wielu ORF na pojedynczym mRNA jest możliwe tylko u prokariotów, ponieważ ich transkrypcja i translacja zachodzą w tym samym czasie iw tej samej lokalizacji subkomórkowej.
operatora obok promotora jest głównym elementem regulatorowym u prokariotów. Białka represorowe związane z sekwencją operatora fizycznie blokują enzym polimerazy RNA, zapobiegając transkrypcji. Przełączniki rybne to kolejna ważna sekwencja regulatorowa powszechnie występująca w prokariotycznych UTR. Sekwencje te przełączają się między alternatywnymi strukturami drugorzędowymi w RNA w zależności od stężenia kluczowych metabolitów . Następnie struktury drugorzędowe albo blokują, albo ujawniają ważne regiony sekwencji, takie jak RBS. Introny są niezwykle rzadkie u prokariotów i dlatego nie odgrywają znaczącej roli w regulacji genów prokariotycznych.
Linki zewnętrzne
- GSDS – serwer wyświetlania struktury genów