§ 22. Ген и геном. Структура, функции и регуляция действия генов

Определения и обозначения

Ген — участок ДНК, содержащий информацию о молекуле РНК или белке и последовательности, необходимые для реализации этой информации. Поэтому ген включает не только информационную часть, но и элементы, управляющие её считыванием. Понятие помогает связать участок ДНК с конкретным продуктом клетки.

Геном — совокупность наследственного материала организма или клетки. В него входят гены, а также некодирующие и другие участки ДНК, выполняющие регуляторные или структурные функции. Геном показывает полный объём наследственной информации, а не только список белков.

Экспрессия гена — использование информации гена для образования функциональной РНК или белка. Сначала информация считывается в форме РНК, а для белок-кодирующего гена затем переводится в последовательность аминокислот. Так генетическая запись превращается в работающий продукт.

Регуляция экспрессии генов — изменение активности генов, благодаря которому клетка управляет временем, местом и интенсивностью их работы. Одни гены могут включаться, другие — подавляться, а третьи — работать с разной силой. Это позволяет клеткам приспосабливаться к условиям и выполнять разные функции.

Как это устроено

Последовательность нуклеотидов ДНК задаёт информацию потому, что её порядок определяет порядок нуклеотидов в РНК, а в иРНК — порядок аминокислот в белке. Три последовательных нуклеотида образуют кодон, соответствующий аминокислоте или сигналу остановки. Однако продуктом гена может быть и функциональная РНК, которая не переводится в белок, а выполняет свою работу непосредственно.

Обычно в составе гена выделяют регуляторные участки, область начала транскрипции и информационную последовательность. Регуляторные участки связываются с белками, управляющими считыванием, а место начала задаёт точку, с которой фермент начинает синтез РНК. Информационная последовательность определяет состав будущей РНК или белка, поэтому изменение её нуклеотидов может изменить продукт.

У прокариот гены часто расположены компактно и могут объединяться в опероны, включающиеся как единый блок. У них транскрипция и трансляция способны идти почти одновременно, поскольку нет оформленного ядра. У эукариот ДНК находится в ядре, гены обычно имеют более сложную регуляцию, а их первичная РНК перед использованием проходит созревание.

При транскрипции фермент строит цепь РНК по одной из цепей ДНК, используя принцип комплементарности. Если ген кодирует белок, зрелая иРНК направляется к рибосоме, где при трансляции кодоны сопоставляются с аминокислотами. У эукариот из первичной РНК удаляются интроны, сохраняются экзоны, а сама молекула получает структуру, необходимую для устойчивости и правильного считывания.

Клетки одного организма могут иметь почти одинаковый геном, но различаться набором активных генов. В нервной клетке включены одни группы генов, в мышечной — другие, поэтому синтезируются разные белки и РНК. Регуляторные последовательности и связывающиеся с ними белки усиливают или подавляют транскрипцию в зависимости от типа клетки, сигналов организма и условий среды.

Состав гена и функции его участков

Таблица помогает читать схему гена слева направо: сначала находятся элементы, задающие условия и начало считывания, затем — последовательность информации о продукте. Для эукариот отдельно указаны участки, которые вырезаются или сохраняются при созревании РНК. Изменение каждого элемента оценивают по тому, влияет ли оно на запуск транскрипции, состав РНК или последовательность белка.

Разбор задач

Задача 1

На схеме гена отмечены регуляторный участок, место начала транскрипции и область, несущая информацию о продукте. Определите, в какой последовательности эти элементы участвуют в работе гена. Нужно связать положение элементов с запуском и продолжением транскрипции.

1. Сначала регуляторные белки взаимодействуют с регуляторной последовательностью и создают условия для работы фермента.
2. Затем фермент распознаёт участок начала транскрипции и начинает собирать цепь РНК.
3. После старта считывается информационная последовательность, по которой формируется РНК, а при необходимости — белок.

Ответ: сначала действует регуляторная последовательность, затем используется участок начала транскрипции, после чего считывается последовательность продукта. Регуляция определяет, начнётся ли этот процесс и насколько интенсивно.

Задача 2

В кодирующей последовательности произошла замена одного нуклеотида. Объясните, почему она может не изменить белок, изменить одну аминокислоту или привести к преждевременному завершению синтеза. Для решения нужно проследить путь от изменённого нуклеотида к кодону и аминокислоте.

1. Определяем, изменился ли кодон и какой новый триплет возник в иРНК.
2. Если новый кодон кодирует ту же аминокислоту, белок не изменится: генетический код вырожден, то есть одному виду аминокислоты могут соответствовать разные кодоны.
3. Если кодон стал кодировать другую аминокислоту, изменится один участок белка, а если возник стоп-кодон, синтез завершится раньше срока.

Ответ: эффект замены зависит от конкретного кодона и положения нуклеотида. Возможны нейтральная замена, замена аминокислоты или укороченный нефункциональный белок.

Задача 3

В клетках одного организма ген A активен, а ген B выключен, тогда как в клетках другого типа наблюдается обратная картина. Объясните, как это возможно при одинаковом геноме, и предскажите последствия нарушения регуляторного участка одного из генов. Сначала нужно разделить наличие гена и его активность.

1. Оба типа клеток могут содержать оба гена, но иметь разные регуляторные белки и сигналы.
2. В первом типе клеток регуляторы включают ген A и подавляют ген B, а во втором действуют противоположно.
3. Если регуляторный участок повреждён, ген может перестать включаться, работать слишком сильно или начать активироваться не в тех клетках.

Ответ: различия клеток объясняются разной экспрессией одинакового генома. Нарушение регуляции способно изменить количество продукта гена и привести к неправильной работе клетки.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать ген только участком, кодирующим белок. Так думают, потому что белки часто рассматривают как главные продукты генов, но некоторые гены кодируют функциональные РНК. Проверка проста: спросите, какой продукт образуется, и учитывайте регуляторные участки.

Ошибка 2. Отождествлять геном с набором генов. Ошибка возникает, если не учитывать ДНК, которая не кодирует белки, но участвует в регуляции и организации наследственного материала. Проверяйте себя формулировкой: геном — это весь наследственный материал, а не только его информационные фрагменты.

Ошибка 3. Полагать, что все гены одинаково работают во всех клетках. Ученики смешивают наличие гена с его экспрессией, хотя активность регулируется клеточным типом и условиями. Нужно различать включённые, выключенные и работающие с разной интенсивностью гены.

Ошибка 4. Считать, что любое изменение нуклеотида обязательно меняет белок или признак. Замена может попасть в несущественное место кодона или не изменить аминокислоту благодаря вырожденности кода. Для проверки определите новый кодон и выясните, изменился ли продукт.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении ДНК и РНК, комплементарности нуклеотидов, генетическом коде, транскрипции и трансляции. Эти процессы показывают, как запись в ДНК превращается в РНК и белок. Без них трудно объяснить действие мутаций и регуляцию генов.

Строение и регуляция генов связаны с клеточной специализацией и развитием организма: разные клетки включают разные программы. Эти знания пригодятся при изучении мутаций, наследственных заболеваний и биотехнологий. Умение управлять экспрессией генов используют, например, при создании лекарственных белков.

Что запомнить

• Ген — участок ДНК, связанный с образованием функционального продукта.
• Геном включает гены и другие участки наследственного материала.
• Работа белок-кодирующего гена включает транскрипцию и трансляцию.
• Регуляторные участки влияют на активность генов.
• В разных клетках одного организма могут работать разные наборы генов.
• Изменение ДНК не всегда приводит к изменению белка или признака.