Құрылымдық гендер: құрамы, жұмысы және эволюциялық маңызы
Structural gene
Структуралық гендер: РНҚ, белок өнімдерін кодтайды, ферменттерді, құрылымдық белоктарды қамтиды. Прокариоттарда операндарда орналасқан. Гендік экспрессия.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Құрылымдық ген – РНК немесе регуляторлық фактордан өзге кез келген ақуыз өнімін кодтайтын ген. Лак оперонынан туындаған термин, құрылымдық гендер әдетте ген экспрессиясын реттемейтін, өндірілетін ақуыздың аминқышқылдарына сәйкес ДНК тізбектерін қамтитын гендер ретінде қарастырылады. Құрылымдық гендердің өнімдеріне ферменттер мен құрылымдық ақуыздар жатады. Сондай-ақ, құрылымдық гендермен кодталмаған РНК-лар, мысалы, рРНК және тРНК (бірақ реттеуші миРНК және сиРНК-ларды қоспағанда) да кодталады.
A structural gene is a gene that codes for any RNA or protein product other than a regulatory factor (i. e. regulatory protein). A term derived from the lac operon, structural genes are typically viewed as those containing sequences of DNA corresponding to the amino acids of a protein that will be produced, as long as said protein does not function to regulate gene expression. Structural gene products include enzymes and structural proteins. Also encoded by structural genes are non coding RNAs, such as rRNAs and tRNAs (but excluding any regulatory miRNAs and siRNAs).
Геномға орналасуы
Прокариоттарда бір-бірімен байланысты функцияларының құрылымдық гендері әдетте бір ДНК-ның бір тізбегінде бір-біріне іргелес орналасқан, оперонды құрайды. Бұл ген экспрессиясын қарапайым реттеуге мүмкіндік береді, себебі бір реттеуші фактор барлық байланысты гендердің транскрипциясына әсер ете алады. Бұл жақсы зерттелген лак оперонымен жақсы көрсетілген, онда үш құрылымдық ген (lacZ, lacY және lacA) бір промотор және бір оператормен реттеледі. Прокариоттық құрылымдық гендер полицистрондық мРНҚ-ға транскрипцияланады және кейіннен аударылады. Эукариоттарда құрылымдық гендер тізбектеп орналаспайды. Оның орнына, әрбір ген кодтаушы экзондардан және аралас кодтамайтын интрондардан тұрады. Реттеуші тізбектер әдетте геннің жоғары және төмен жағындағы кодталмайтын аймақтарда кездеседі. Құрылымдық гендік мРНҚ-ны трансляцияға дейін интрондық тізбектерді жою үшін тігілуі (сплайсинг) керек. Бұл өз кезегінде эукариоттық құбылысқа, яғни альтернативті тігілуге (сплайсингке) мүмкіндік береді, онда бір құрылымдық геннен алынған бір мРНҚ экзондардың құрамына байланысты бірнеше түрлі ақуыздарды өндіре алады. Бұл процесс күрделі болғанымен, шамамен адам гендерінің 94%-ға дейін қандай да бір жолмен тігіледі деп есептеледі. Сонымен қатар, әртүрлі тіндерде әртүрлі тігілу үлгілері кездеседі. Эукариоттардағы осы құрылымнан ерекшелігі – гистон ақуыздарына арналған гендер, оларда интрондар мүлдем жоқ. Сондай-ақ, құрылымдық гендердің rDNA кластерлері де ерекшеленеді, онда 28S, 5.8S және 18S тізбектері іргелес орналасқан, қысқа ішкі транскрипцияланған аралықтармен бөлінген. Сонымен қатар, 45S rDNA геномның бес түрлі жерінде кездеседі, бірақ іргелес қайталанатын тізбектерге топтасқан. Эубактерияларда бұл гендер оперонға ұйымдастырылған. Алайда, архебактерияларда бұл гендер іргелес емес және байланыссыз болып табылады.
In prokaryotes, structural genes of related function are typically adjacent to one another on a single strand of DNA, forming an operon. This permits simpler regulation of gene expression, as a single regulatory factor can affect transcription of all associated genes. This is best illustrated by the well studied lac operon, in which three structural genes (lacZ, lacY, and lacA) are all regulated by a single promoter and a single operator. Prokaryotic structural genes are transcribed into a polycistronic mRNA and subsequently translated. In eukaryotes, structural genes are not sequentially placed. Each gene is instead composed of coding exons and interspersed non coding introns. Regulatory sequences are typically found in non coding regions upstream and downstream from the gene. Structural gene mRNAs must be spliced prior to translation to remove intronic sequences. This in turn lends itself to the eukaryotic phenomenon of alternative splicing, in which a single mRNA from a single structural gene can produce several different proteins based on which exons are included. Despite the complexity of this process, it is estimated that up to 94% of human genes are spliced in some way. Furthermore, different splicing patterns occur in different tissue types. An exception to this layout in eukaryotes are genes for histone proteins, which lack introns entirely. Also distinct are the rDNA clusters of structural genes, in which 28S, 5.8S, and 18S sequences are adjacent, separated by short internally transcribed spacers, and likewise the 45S rDNA occurs five distinct places on the genome, but is clustered into adjacent repeats. In eubacteria these genes are organized into operons. However, in archaebacteria these genes are non adjacent and exhibit no linkage.
Адам ауруларындағы рөлі
Аурудың генетикалық негізін анықтау, оның әсерін және таралуын түсінудің маңызды бөлігі болуы мүмкін. Құрылымдық гендердің орналасуы мен мазмұны вируленттіліктің эволюциясын анықтауға, сондай-ақ емдеу үшін қажетті ақпаратты ұсынуға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, вируленттіліктің пайда болуы немесе жоғалуына жауапты құрылымдық ген тізбектеріндегі нақты өзгерістерді түсіну, аурулардың иелеріне қалай әсер ететінін түсінуге көмектеседі. Мысалы, Yersinia pestis (бубондық оба) плазмидаларда бірнеше вируленттілік және қабынумен байланысты құрылымдық гендерді тасымалдайды деп анықталды. Сол сияқты, тетанусқа себепші геннің де плазмидада бар екені анықталды. Дифтерия бактериядан туындайды, бірақ тек бактерия токсиннің құрылымдық гендерін тасымалдайтын бактериофагпен жұққаннан кейін. Герпес симплекс вирусында вируленттілікке жауапты ген тізбегі геномның екі орнында табылды, бірақ вирустық ген өнімін тек бір орны ғана шығарады. Бұл штамдардың мутация арқылы вируленттілігін жоғалтса, оны қайта қалпына келтіру механизмі ретінде қызмет етеді деп болжанды. Вируленттіліктің артуы немесе жоғалтуына жауапты құрылымдық гендердегі нақты өзгерістерді түсіну, нақты емдеуді жасаудың және токсиндердің мүмкін емдік қолданысын зерттеудің қажетті қадамы болып табылады. Жалпы алғанда, құрылымдық гендер функционалды шектеулерге байланысты жақсы сақталады, сондықтан олар бір-бірінен ерекшеленетін таксондарды зерттеуде пайдалы болуы мүмкін. Алғашқы талдаулар мРНҚ-ға гибридтеу арқылы құрылымдық гендерді байытты. Жақындағы филогенетикалық тәсілдер белгілі функциясы бар және әртүрлі деңгейде сақталған құрылымдық гендерге бағытталды. рРНҚ тізбектері жиі нысана болып табылады, өйткені олар барлық түрлерде сақталады. Микробиология түрлер деңгейіндегі айырмашылықтарды анықтау үшін 16S генін арнайы мақсат етіп қойды. Жоғары сатыдағы таксондарда COI қазір "өмірдің штрих-коды" деп есептеледі және көптеген биологиялық идентификациялар үшін қолданылады.
The identification of the genetic basis for the causative agent of a disease can be an important component of understanding its effects and spread. Location and content of structural genes can elucidate the evolution of virulence, as well as provide necessary information for treatment. Likewise understanding the specific changes in structural gene sequences underlying a gain or loss of virulence aids in understanding the mechanism by which diseases affect their hosts. For example, Yersinia pestis (the bubonic plague) was found to carry several virulence and inflammation related structural genes on plasmids. Likewise, the structural gene responsible for tetanus was determined to be carried on a plasmid as well. Diphtheria is caused by a bacterium, but only after that bacterium has been infected by a bacteriophage carrying the structural genes for the toxin. In Herpes simplex virus, the structural gene sequence responsible for virulence was found in two locations in the genome despite only one location actually producing the viral gene product. This was hypothesized to serve as a potential mechanism for strains to regain virulence if lost through mutation. Understanding the specific changes in structural genes underlying a gain or loss of virulence is a necessary step in the formation of specific treatments, as well the study of possible medicinal uses of toxins. Structural genes in general are more highly conserved due to functional constraint, and so can prove useful in examinations of more disparate taxa. Original analyses enriched samples for structural genes via hybridization to mRNA. More recent phylogenetic approaches focused on structural genes of known function, conserved to varying degrees. rRNA sequences frequent targets, as they are conserved in all species. Microbiology has specifically targeted the 16S gene to determine species level differences. In higher order taxa, COI is now considered the “barcode of life,” and is applied for most biological identification.
Талқылау
Гендерді құрылымдық немесе реттеуші деп кеңінен жіктеуге қарамастан, бұл санаттар абсолютті бөлініс емес. Жақындағы генетикалық жаңалықтар реттеуші және құрылымдық гендер арасындағы шекараны күмәндандырады. Реттеуші және құрылымдық гендер арасындағы айырмашылық 1959 жылғы Lac оперонының ақуыздық экспрессиясы жөніндегі алғашқы жұмыстарға байланысты туындады. Дегенмен, гендік реттеудің үнемі жаңарып отыруы күрделілікті арттырады. Құрылымдық гендердің экспрессиясы эпигенетика (мысалы, метилдену), РНКi және тағы да басқа факторлар арқылы реттеледі. Реттеуші және құрылымдық гендер эпигенетикалық тұрғыдан бірдей реттелуі мүмкін, сондықтан барлық реттеу «реттеуші гендер» арқылы кодталмайды. Алайда, осы ақуыздар өз шаперондарымен бірге ақуыздардың мембраналар арқылы қозғалысына көмектеседі және иммундық жауаптарға (Hsp60 қараңыз) және апоптоз жолына (Hsp70 қараңыз) қатысқандығы анықталды. Соңғы кезде микроРНК-лардың рибосомалық РНК (рРНК) гендерінің ішкі транскрипцияланған аралықтарынан түзілетіні анықталды. Осылайша, құрылымдық геннің ішкі компоненті, шындығында, реттеуші болып табылады. МикроРНК-лардың байланысу орындары гендердің кодтау тізбектерінде де табылды. Көбінесе интерференциялық РНК 3’UTR-ге бағытталған, бірақ белоктың өзінің тізбегінде байланысу орындарының болуы осы белоктардың транскрипттеріне жасуша ішіндегі микроРНК-ларды тиімді реттеуге мүмкіндік береді. Бұл өзара әрекеттесу экспрессияға әсер ететіні көрсетілді, демек құрылымдық генде реттеуші компонент бар.
Despite the widespread classification of genes as either structural or regulatory, these categories are not an absolute division. Recent genetic discoveries call into question the distinction between regulatory and structural genes. The distinction between regulatory and structural genes can be attributed to the original 1959 work on Lac operon protein expression. However, increasing discoveries of gene regulation suggest greater complexity. Structural gene expression is regulated by numerous factors including epigenetics (e. g. methylation), RNAi, and more. Regulatory and structural genes can be epigenetically regulated identically, so not all regulation is coded for by “regulatory genes”. Yet these same proteins also aid in the movement of their chaperoned proteins across membranes, and have now been implicated in immune responses (see Hsp60) and in the apoptotic pathway (see Hsp70). More recently, microRNAs were found to be produced from the internal transcribed spacers of rRNA genes. Thus an internal component of a structural gene is, in fact, regulatory. Binding sites for microRNAs were also detected within coding sequences of genes. Typically interfering RNAs target the 3’UTR, but inclusion of binding sites within the sequence of the protein itself allows the transcripts of these proteins to effectively regulate the microRNAs within the cell. This interaction was demonstrated to have an effect on expression, and thus again a structural gene contains a regulatory component.