БИОХИМИЧЕСКИЙ КОД НАСЛЕДСТВЕННОСТИ РАЗНООБРАЗИЕ БЕЛКОВ
Белки выполняют в организме самые различные функции. В качестве ферментов они служат катализаторами химических реакций; в роли гормонов они, наряду с нервной системой, управляют работой различных органов, передавая химические сигналы. Белки используются в организме и как строительный материал (например, в мышечной ткани), и как транспортные средства (гемоглобин крови переносит кислород).
Размах синтеза белка, происходящего в клетке, огромен. Геном человека (набор последовательностей ДНК, определяющих генетическую индивидуальность человека) содержит порядка 6 биллионов нуклеотидов, из которых сформировано примерно 100 000 генов, чьи размеры варьируют в пределах от 1000 до 2 миллионов нуклеотидных пар. Если бы мы захотели описать эти 6 биллионов азотистых оснований и предположили, что на одной странице можно уместить около 7* 99 3000 нуклеотидов, то нам понадобилось бы примерно 2 000 000 страниц — «многотомное собрание» нуклеотидов (и это для генома только одного человека)!
Описание всех генов человека и расшифровки соответствующих
последовательностей ДНК — основная задача международного исследовательского проекта «Геном Человека», который является самым крупным генетическим проектом в мире. Благодаря усилиям многих генетических лабораторий мира ученые будут иметь в своем распоряжении полное описание генома человека.
ТИПЫ И СТРУКТУРА ГЕНОВ
До конца 80-х — начала 90-х годов геном называли сегмент ДНК,
кодирующий полипептидную цепочку или определяющий функциональную молекулу РНК. Однако современные молекулярные исследования коренным образом изменили наше представление о структуре гена. Сегодня понятием «ген» обозначается сегмент геномной ДНК или РНК, выполняющий определенную функцию (причем выполнение этой функции вовсе не означает, что ген должен быть транскрибирован и транслирован).
В настоящее время разделяют три типа генов: гены, кодирующие
белки, которые транскрибируются в РНК и затем транслируются в
белки; гены, кодирующие РНК; и регуляторные гены, которые содержат нетранскрибируемые последовательности. Гены, кодирующие
белки и РНК, называются структурными генами; их активность, «включение» и «выключение» определяются генами-регуляторами.
По мере проникновения в молекулярную структуру генетического
материала все труднее становится находить в молекулах ДНК границы
того, что обозначается понятием «ген». Это связано с тем, что процессы транскрипции (на ДНК) и трансляции (на мРНК) прямо не
совпадают ни по локализации, ни по составу нуклеотидов. Наконец,
постоянно увеличивается число открываемых генетических единиц. Так, наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены, например, участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых мы только начинаем понимать, и мигрирующие нуклеотидные последовательности (мобильные гены).
Структура гена сложна, и в данном учебнике она подробно рассматриваться не будет. Отметим только наиболее важные моменты. В основном гены высших организмов имеют прерывистую структуру,
Обычно они состоят из блоков (экзонов) — транслируемых участков,
которые копируются в мРНК, переносимую в цитоплазму, и других
блоков (нитронов) — нетранслируемых участков, которых в мРНК
нет. На начальном этапе транскрипции ген копируется полностью в
пре-мРНК вместе с нитронами, которые затем «вырезаются», образуя зрелую мРНК. Так, некодирующая ДНК присутствует даже внутри самих генов.
РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ
В каждый конкретный момент клетка не использует всю содержащуюся в ее хромосомах генетическую информацию. Например, клетки печени вырабатывают специфические ферменты, которые не синтезируются, скажем, клетками почек, хотя те и другие содержат в
своих ядрах одну и ту же ДНК. Кроме того, гены включаются и выключаются на разных стадиях онтогенеза: например, организм человека производит разные типы белка гемоглобина на разных этапах созревания организма (ранний эмбриогенез, развитие плода, детство,
взрослый возраст). Синтез этих белков контролируется разными генами, которые включаются и выключаются на разных этапах онтогенеза. Регуляция генной экспрессии осуществляется на нескольких уровнях при помощи целого набора клеточных механизмов.
Общая задача процесса регуляции — избежать напрасных затрат энергии и создать условия для того, чтобы клетка производила наиболее эффективным образом все, в чем она нуждается. Процесс регуляции разворачивается в соответствии с заданной генетической программой или в ответ на изменения как во внутренней, так и во внешней среде организма. Считается, что в геноме человека количество регуляторных генов примерно соответствует количеству структурных генов.
