72. Как организован геном?

Геном - это совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. Представления о структуре генома формировались под влиянием данных многочисленных экспериментов и изменялись со временем. Так, в результате исследований Бидла и Татума появилась гипотеза "один ген - один фермент". Однако правильнее сказать "один ген - один белок или одна полипептидная цепь", хотя и это высказывание не полностью отражает положение, поскольку существуют белки, которые кодируются участками, распределенными вдоль всего генома. Молекула ДНК выполняет различные функции. В ней имеются нуклеотидные последовательности, несущие генетическую информацию о структуре белка, инициирующие и терминирующие кодоны, участки, которые контролируют экспрессию (выражение) генов и репликацию. Поэтому разные участки ДНК имеют различное название. Так, последовательности, несущие информацию о структуре белков, называются структурными генами. Каждый из них имеет инициирующий и терминирующий кодон. К структурным генам присоединены промотор, связывающий ДНК-зависимую РНК-полимеразу, и оператор, соединяющий регуляторные молекулы. Между промотором и структурными генами найдены короткие последовательности, называемые спейсерами (разделяющие последовательности). Несколько структурных генов присоединяются к промоторно-операторной области и образуют генетическую единицу - оперон, экспрессия которого включается и выключается как единое целое.

Регуляторные белки - результат действия регуляторных генов. В один оперон включаются гены для белков, используемых в одном биосинтетическом цикле. Из этого правила могут быть исключения, и гены одной биосинтетической цепи могут быть разбросаны по всему геному (рис. 21).

Рис. 21. Модель оперона. Промотор заканчивается стартовой точкой транскрипции, кодирующей 5′-концевое основание (почти всегда пурин)

У вирусов нуклеиновая кислота состоит почти целиком из структурных генов. Хромосома спутника некроза табака длиной 1200 нуклеотидов содержит только 1 структурный ген (белок оболочки). Геном других вирусов может содержать до 200 тысяч пар нуклеотидов и до сотни генов. Если у самых простых вирусов транскрипция происходит на всех генах одновременно, то у наиболее сложных имеются определенные механизмы регуляции транскрипции (гены предранние, ранние, поздние).

У бактерий ДНК, состоящая из миллионов пар нуклеотидов, содержит сотни генов и каждый ген представлен в единственном числе (кроме генов рРНК и тРНК, они представлены несколькими копиями). Геном эукариотов организован гораздо сложнее, чем у бактерий, что объясняется как увеличением количества ДНК и числа генов, так и возрастанием сложности системы контроля активности генов во времени и пространстве, связанной с дифференциацией клеток и тканей в онтогенезе. При общем увеличивании содержания ДНК в геноме организмов разных филогенетических рядов наблюдаются случаи отклонения от этого правила. Например, содержание ДНК в геноме рыб колеблется от 14 до 35000 по отношению к геному человека.

Особенностью генома высших организмов является высокая избыточность ДНК, т. е. наличие нетранскрибируемых участков. Это объясняется многократным повторением генов, наличием большого числа регуляторных генов и тем, что часть ДНК вообще не содержит генов. Гены рРНК повторены многократно. Гены 28S и 18S рРНК располагаются всегда рядом,друг с другом; таких пар в геноме животных до нескольких тысяч. Они собраны в блоки или кластеры и находятся в прицентромерных участках хромосом. Кроме того, в геноме эукариотов установлена категория повторов, характеризующихся очень высокой многократностью. Это так называемая сателлитная ДНК, состоящая из кластеров, образованных повторенной до 300 раз короткой последовательностью нуклеотидных пар (5 пар у дрожжей, 6 пар у мышей). Число таких повторов может достигать миллиона. Отсюда доля сателлитной ДНК довольно значительна (у человека до 10, у мыши - 12%). Сателлитная ДНК не транскрибируется.