Уcтройство генов прокариотов

Структура нуклеоида. Бактериальная хромосома имеет гаплоидный набор, представлена двуцепочечной ДНК, замкнутой в кольцо. У Е.coli она состоит из 5х106 п.н., ее молекулярноая масса – 2,5-3,0 х 109 Да. Бактериальную хромосому называют нуклеоидом, т.к. она не окружена ядерной мембраной, компактно уложена и в некоторых местах прикреплена к мембране (20-40 сайтов прикрепления). В ней отмечается отрицательная суперспирализация с образованием петель. При электронной микроскопии выявляется от 12 до 140 петель, которые в центре нуклеоида фиксируются особыми молекулами 4,5 S РНК, образуя сердцевинную структуру. В центре нуклеоида имеются гистоноподобные белки НU (50% всех белков нуклеоида). Однако бактериальная хромосома не имеет нуклеосом, состоящих из гистонов в отличие от эукариот. Большой отрицательный заряд ДНК, формируемый фосфатными группами, нейтрализуется ионами натрия, магния и цинка.

Деспирализованые петли лежат вдоль мембраны, так как на этих участках идёт транскрипция, а освобождающаяся и-РНК сразу поступает на рибосомы (полисомы), расположенные на мембране. Это способствует быстрой экскреции внеклеточных белков-ферментов в окружающую среду, что важно для внеклеточного переваривания сложных субстратов.

Множественность генома.Для прокариот характерна множественность генома, а именно в пределах одной клетки может существовать 4, 8, и более 40 копий одной и той же хромосомы. Такое состояние возникает из-за несбалансированности процессов репликации и деления клетки.

Деление клетки и репликация.Митоза и мейоза у прокариот нет. Размножение происходит путем простого бинарного деления, которому предшествует удвоение молекулы ДНК – репликация, осуществляемая путем синтеза дополнительной цепи. У большинства прокариот Р. двунаправленная, за исключением некоторых плазмид, однако хромосома представляет собой один репликон, т. к. имеет один origin – участок инициации репликации.

Почти сразу после репликации осуществляется метилирование некоторых нуклеотидов – А, Г, Ц, особенно в сайтах рестрикции. Это важно для предотвращения гидролиза собственной ДНК рестриктазами. Система ферментов, обеспечивающая этот процесс, называется системой рестрикции-модификации, и главная её функция – уничтожение всех чужеродных ДНК, проникших в клетку.

Экономность генома у прокариот проявляется в том, что они содержат мало некодирующих последовательностей – 15-20%, у человека некодирующие последовательности ДНК составляют 80-90%. Основная часть хромосомы прокариотов представлена структурными и регуляторными генами. Структурные гены кодируют синтез основных белков и ферментов, участвующих в процессах метаболизма, роста и деления клетки. Регуляторные гены кодируют синтез регуляторных белков, которые руководят процессами метаболизма путем «включения» или «выключения» генов.

Некодирующие последовательности у прокариотов представлены мультикопийными повторами, например, последовательность REP в геноме повторяется 580 раз. Последовательность ГЦТГГТГГ может повторяться на протяжении 5000 пар нуклеотидов – это последовательность для рекомбиназы rec-BCD. Среди некодирующих последовательностей в линейных хромосомах прокариотов обнаруживаются последовательности подобные теломерам эукариот. У прокариотов встречаются также генные семейства, например, у E. сoli имеются семейства оперонов, включающие гены р-РНК и т-РНК.

Что касается расположения генов на кольцевой хромосоме, то имеется следующая закономерность: гены главных функций (репликации, роста и деления) расположены ближе к origin-центру начала репликации, а гены второстепенных функций находятся дистальнее, т.е. ближе к terminus-центру – точке окончания репликации. Это важно, так как, даже если репликация не идет до конца, гены главных функций все же успевают удвоиться.

Устройство генов у прокариотов отличаются отсутствием экзон-интронной структуры. А именно, в отличие от эукариотов, гены цельные, представлены единой нуклеотидной последовательностью и не расчленены на кодирующие участки – экзоны и некодирующие интроны. Поэтому у прокариотов отсутствует сплайсинг – процесс вырезания некодирующих интронов в молекуле информационной РНК. Исключением являются гены, кодирующие рибосомальные и транспортные РНК (р-РНК и т-РНК), у которых имеется зачаточный сплайсинг и вырезаются отдельные петли.

Гены у прокариот бывают одиночными (около 70%) или собраны в группы – опероны.

Оперон – это группа генов под общими промотором и терминатором, которые кодируют ферменты последовательных метаболических превращений. Так, в лактозном опероне кишечной палочки собраны 3 гена катаболизма лактозы. Первый ген кодирует фермент бета-галактозидазу, который расщепляет лактозу на два моносахара (глюкозу и галактозу). Второй ген кодирует пермеазу – фермент- переносчик, осуществляющий перенос модифицированной галактозы внутрь клетки. Третий ген кодирует фермент трансацетилазу, вовлекающий углевод в дальнейший метаболизм. В триптофановом опероне кишечной палочки – 5 структурных генов, в гистидиновом опероне у сальмонелл – 11 генов.

Во время транскрипции с оперона считывается полицистронная и-РНК (цистрон = ген), содержащая генетическую информацию о всех структурных генах оперона, а с единичного гена транскрибируется моноцистронная и-РНК.

У эукариотов гены почти всегда одиночные и только гены т- и р-РНК собраны в кластеры, напоминающие опероны бактерий.

На ДНК в пределах гена или оперона различают смысловую и матричную цепи. Смысловая цепь, она же кодогенная, имеет последовательность нуклеотидов, определяющих набор аминокислот в соответствующем белке. Матричная цепь (некодогенная) комплементарна смысловой цепи и является матрицей для синтеза и-РНК. Информационная РНК, транскрибируемая на матричной цепи ДНК, по набору нуклеотидов полностью соответствует смысловой цепи.