Введение
Актуальность работы связана с тем, что организация работы генов и их экспрессия вызывает большой интерес в настоящее время.
Термин «ген» (от греч. genos – род, рождение, происхождение) в генетике фундаментально. Данное понятие будет обозначать неделимую в функциональном отношении единицу генетической информации. Важность данного термина определяет то, что в геноме организма гены будут формировать генетическую систему управления, на основе которой происходит развитие элементарных признаков (в форме весьма большого разнообразия молекул белка), а после этого гуморальных и нервных механизмов регуляции, физиологических и поведенческих функций целостного организма. В генах определяется не только структура, функции, развитие, гомеостаз и самовоспроизведение организма, но также его способность адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды. В норме гены также ответственны за регуляцию деления клеток, их дифференциацию и апоптоз (запрограммированная гибель клеток), за репарацию поврежденной ДНК, антиоксидантную защиту и множество других процессов, из-за нарушения которых может возникать множество заболеваний, включая онкологические [2, с. 692].
Гены в клетке будут находиться в составе генома. Геном человека включает около 26 тысяч генов, все они взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Можно говорить, что геном в широком смысле слова, является совокупностью всей ДНК клетки, где будет храниться набор инструкций для формирования и функционирования индивида. Общие принципы построения геномов различных организмов и их структурно-функциональную организация изучается наукой геномикой, к задачам которой относятся секвенирование (прочтение последовательности нуклеотидов ДНК), картирование и идентификация функций генов, их взаимосвязей в геноме. Геномика человека представляет собой основу молекулярной медицины и обладает важнейшим значением для разработки методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и ненаследственных заболеваний. С геномикой имеет тесную связь протеомика – наука, которая занимается изучением всех клеточных белков и их взаимодействий [1, с. 43].
[...]
Глава 1 Определение понятия «ген» и его организация
Ген является участком ДНК, содержащий информацию, которая будет определять синтез одной полипептидной цепи либо функциональной РНК (к примеру, тРНК) [12, с. 18].
Генетическая информация о структуре отдельных белков и нуклеиновых кислот у любого организма будет заключаться в молекулах ДНК либо РНК как последовательность нуклеотидов, которые называются гены. Тем не менее, только одна информация о структуре макромолекул, которую кодируют гены, является недостаточной для того, чтобы они могли функционировать. Координированная работа (экспрессия) множества генов будет возможной только из-за наличия тонких регуляторных механизмов, которые определяют место, время и уровень экспрессии какого-то конкретного гена либо группы генов. Чтобы экспрессия гена могла регулироваться, в нем должна содержаться индивидуальная (регуляторная) метка, в соответствии с которой регуляторные компоненты генетической системы клетки либо организма смогут без ошибок воздействовать на него нужным образом. По этой причине у каждого гена могут быть выделены две основные функциональные части (последовательности нуклеотидов) – регуляторная и структурная. Благодаря регуляторной части осуществляются первые этапы реализации генетической информации, которая заключается в структурной части гена, в которой, в свою очередь, будет содержаться информация о структуре конкретного белка либо нуклеиновой кислоты. В связи с этим размер гена определяют размеры его структурной и регуляторной частей. Тем не менее, определение протяженности гена является довольно сложной задачей, в частности, в случае эукариотических генов.
Отдельные элементы регуляторной области гена, к примеру, энхансеры, могут быть расположены на большом (>60 т.п.н.) расстоянии от структурной части гена как перед ней, так и позади нее либо даже в ней самом. В самой структурной части большей части генов эукариот кодирующие последовательности нуклеотидов (экзоны) будут чередоваться с длинными некодирующими последовательностями (интроны).
Существование интронов в эукариотических генах обеспечивает регуляцию экспрессии генов в развитии благодаря альтернативным путям сплайсинга, в основе которых лежит возможность использовать разные экзоны одного гена для образования разных мРНК [10, с. 191].
[...]
Итоговый результат экспрессии любого известного гена на молекулярном уровне – это формирование молекул РНК либо белка, информация о первичной структуре которых кодируется в данном гене. Процесс биосинтеза белка будет складываться из множества взаимосвязанных этапов. Основные из них – это транскрипция, трансляция, а также посттранскрипционные и посттрансляционные процессинг и модификации РНК и белка. В связи с этим изменение скорости течения каждого из указанных этапов сопровождает, в результате, изменение внутриклеточного содержания функционально активного продукта экспрессии гена. Соответственно, регуляторное воздействие на любом из данных этапов способно изменить уровень экспрессии соответствующего гена в клетке. Регулируемая экспрессия генов будет предполагать высокоспецифическое изменение внутриклеточного содержания кодируемых данными генами белков и нуклеиновых кислот в ответ на действие продуктов экспрессии иных генов либо регуляторных сигналов внутри- и внеклеточного происхождения, к примеру, низкомолекулярных метаболитов, ксенобиотиков либо таких физических факторов, как температура, ионизирующее излучение и пр. Избирательность данных воздействий будет становиться возможной из-за формирования высокоспецифических белок-белковых комплексов, комплексов лиганд-рецептор, распознаванию белками определенных последовательностей нуклеотидов ДНК либо РНК, а также из-за комплементарных взаимодействий нуклеиновых кислот друг с другом.
Избирательное воздействие низкомолекулярных биорегуляторов на гены осуществляется опосредованно через соответствующие рецепторы белковой природы. Причем чаще всего наблюдается такая схема: высоко- либо низкомолекулярный эффектор (лиганд) будет специфически связываться с регуляторным белком-рецептором (к примеру, репрессором либо активатором гена) и изменять конформацию рецептора так, что он будет приобретать способность к распознаванию регуляторных последовательностей нуклеиновых кислот либо иных регуляторных белков. Такие взаимодействия, затем сопровождает изменение эффективности экспрессии его гена. Соответственно, наиболее продуктивным будет влияние на экспрессию гена с помощью его транскрипции. При данном способе регуляции должен быть изменен внутриклеточный уровень соответствующих мРНК, который способен лимитировать биосинтез белков рибосомами.
[...]
Заключение
Таким образом, ген можно считать основной единицей наследственности. Гены будут передаваться от родителей к потомкам и в них содержится информация, необходимая для определения физических и биологических особенностей. Большая часть генов кодируют определенные белки либо сегменты белков, выполняющие разнообразные функции в организме. У человека существует примерно 20 000 генов, отвечающих за кодирование белка.
Фенотипические признаки, а также состояние клетки (и организма в целом) определяет не только набор генов, который был получен от родителей, но также соотношение работающих и выключенных генов, т.е. количество и свойство производимых ими структурных, каталитических и регуляторных белков. Ферменты энергетического обмена, белки, которые являются необходимыми для репарации ДНК и множество других белков необходимы каждой клетке, и экспрессия их генов (класс «домашнего хозяйства») происходит непрерывно в каждой клетке, кроме таких высокоспециализированных клеток, как зрелые эритроциты. Другие гены будут включаться в какие-то определенные периоды и в определенных обстоятельствах: к примеру, в периоде органогенеза, при половом созревании, в процессе заболевания. Общей целью процесса регуляции является необходимость избегания чрезмерных затрат энергии и создание условий для того, чтобы клетка могла производить самым эффективным образом все, что ей необходимо. Нередко гены могут экспрессироваться последовательно: активация одного либо нескольких генов вызывает в результате целый каскад событий.
При некоторых условиях определенные гены могут и вовсе не экспрессироваться, а степень экспрессии иных генов может варьировать на несколько порядков. Изменение условий может вызывать активацию ранее «молчавших» генов и репрессию активно работающих.
Экспрессия генов происходит на многих уровнях, однако в большинстве случаев регуляция осуществляется на уровне синтеза (транскрипции) мРНК.
[...]
1. Алексеев, В. И. Прикладная молекулярная биология / В. И. Алексеев, В. А. Каминский. – М. : КомКнига, 2005. – 200 c.
2. Биология: в 3-х томах / Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. 13-е изд., пер. с англ. «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2021. – 1340 с.
3. Биология клетки : учебное пособие по ред. А.Ф. Никитина. – 2-е издание Санкт-Питербург : Спецлит, 2015. – 166 с.
4. Георгиев, Г. П. Гены высших организмов и их экспрессия. М. : Наука, 1989. – 254 с.
5. Гвоздев, В. А. Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции / В.А. Гвоздев // Соросовский образовательный журнал. – 1996 – Т.2 – №1 – С. 23-31.
6. Коничев, А. С. Молекулярная биология : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова. 4-еизд., перераб. и доп., 2012. – 400 с.
7. Коничев, А. С. Основные термины молекулярной биологии : учебное пособие / А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова. – М. : Колос, 2006. – 188 с.
8. Льюин, Б. Гены / Б. Льюин. М. : Бином. Лаборатория знаний, 2011. – 896 с.
9. Молекулярная биология клетки : в 3-х томах / Б. Альбертс [и др.]. – М. – Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2013. – 2821 с.
10. Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот / под ред. А. С. Спирина. – М. : Высшая школа, 1990. – 352 с.
11. Молекулярная биология : учеб.-метод. / В.В. Давыдов [и др. ]. – Минск : БГМУ, 2023. – 204 с.
12. Огурцов, А. Н. Основы молекулярной биологии : учебное пособие : в 2-х ч., Ч2 / А. Н. Огурцов. – Харьков : НТУ, 2011. – 240 с.
13. Патрушев, Л. И. Экспрессия генов / Л. И. Патрушев. – М. : Наука, 2000. – 830 с.
14. Рис, Э. Введение в молекулярную биологию : От клеток к атомам / Э. Рис, М. Стернберг : Пер. с англ. – М. : Мир, 2002. – 142 с.
15. Субботина, Т. Н. Молекулярная биология и генная инженерия : практикум / Т. Н. Субботина, П. А. Николаева, А. Е. Харсекина. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2018. – 60 с.
