Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Структурный ген – это ген, кодирующий любую РНК или белковый продукт, отличный от регуляторного фактора (т.е. регуляторного белка). Термин, возникший из изучения lac-оперона, структурные гены обычно рассматриваются как гены, содержащие последовательности ДНК, соответствующие аминокислотам белка, который будет синтезирован, при условии, что этот белок не выполняет функцию регуляции экспрессии генов. Продуктами структурных генов являются ферменты и структурные белки. Структурные гены также кодируют некодирующие РНК, такие как рРНК и тРНК (но исключая любые регуляторные микроРНК и малые интерферирующие РНК).
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).
Размещение в геноме
У прокариотов структурные гены, выполняющие родственные функции, обычно расположены рядом друг с другом на одной цепи ДНК, формируя оперон. Это обеспечивает более простое регулирование экспрессии генов, поскольку один регуляторный фактор может влиять на транскрипцию всех связанных генов. Наиболее ярким примером является хорошо изученный лак-оперон, в котором три структурных гена (lacZ, lacY и lacA) регулируются одним промотором и одним оператором. Прокариотические структурные гены транскрибируются в полицистроническую мРНК и впоследствии транслируются. У эукариот структурные гены не расположены последовательно. Вместо этого каждый ген состоит из кодирующих экзонов, перемежающихся некодирующими интронами. Регуляторные последовательности обычно находятся в некодирующих областях выше и ниже по течению от гена. мРНК структурных генов должна подвергаться сплайсингу перед трансляцией для удаления интронных последовательностей. Это, в свою очередь, обуславливает эукариотическое явление альтернативного сплайсинга, при котором одна мРНК из одного структурного гена может производить несколько различных белков в зависимости от того, какие экзоны включены. Несмотря на сложность этого процесса, по оценкам, до 94% человеческих генов подвергаются сплайсингу в той или иной форме. Кроме того, различные варианты сплайсинга встречаются в разных типах тканей. Исключением из этого расположения у эукариот являются гены, кодирующие гистонные белки, в которых полностью отсутствуют интроны. Также отличаются кластеры структурных генов рДНК, в которых последовательности 28S, 5.8S и 18S расположены рядом, разделенные короткими внутренне транскрибируемыми спейсерами, и аналогично, 45S рДНК встречается в пяти различных местах генома, но сгруппирована в смежные повторы. У эубактерий эти гены организованы в опероны. Однако у архебактерий эти гены не расположены рядом и не проявляют сцепленности.
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.
Роль в болезнях человека
Определение генетической основы возбудителя заболевания может быть важным компонентом понимания его последствий и распространения. Расположение и содержание структурных генов могут прояснить эволюцию вирулентности, а также предоставить необходимую информацию для лечения. Подобно этому, понимание конкретных изменений в последовательностях структурных генов, лежащих в основе приобретения или потери вирулентности, помогает понять механизм, посредством которого болезни воздействуют на своих хозяев. Например, было обнаружено, что Yersinia pestis (возбудитель бубонной чумы) несет несколько структурных генов, связанных с вирулентностью и воспалением, на плазмидах. Аналогично, структурный ген, ответственный за столбняк, также был обнаружен на плазмиде. Дифтерия вызывается бактерией, но только после того, как эта бактерия была инфицирована бактериофагом, несущим структурные гены для токсина. У вируса Herpes simplex структурная последовательность генов, отвечающая за вирулентность, была обнаружена в двух участках генома, хотя только один из них фактически производит вирусный генный продукт. Предполагается, что это может служить потенциальным механизмом для восстановления вирулентности штаммов, утративших ее в результате мутации. Понимание конкретных изменений в структурных генах, лежащих в основе приобретения или потери вирулентности, является необходимым шагом в разработке специфических методов лечения, а также в изучении возможных лекарственных применений токсинов. Структурные гены в целом более консервативны из-за функциональных ограничений и поэтому могут быть полезны при исследовании более отдаленных таксонов. В оригинальных анализах образцы обогащались структурными генами посредством гибридизации с мРНК. Более поздние филогенетические подходы были сосредоточены на структурных генах с известной функцией, сохраняющихся в различной степени. Последовательности рРНК часто являются мишенями, поскольку они консервативны у всех видов. В микробиологии ген 16S специально используется для определения различий на уровне видов. В высших таксонах COI теперь считается «штрих-кодом жизни» и применяется для большинства биологических идентификаций.
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.
Обсуждение
Несмотря на широкую классификацию генов как структурных или регуляторных, эти категории не представляют собой абсолютное разделение. Недавние генетические открытия ставят под вопрос различие между регуляторными и структурными генами. Разделение на регуляторные и структурные гены восходит к оригинальной работе 1959 года, посвященной экспрессии белков оперона Lac. Однако, все большее число открытий в области регуляции генов указывает на большую сложность. Экспрессия структурных генов регулируется множеством факторов, включая эпигенетику (например, метилирование), РНКи и другие механизмы. Регуляторные и структурные гены могут подвергаться идентичной эпигенетической регуляции, поэтому не вся регуляция закодирована в "регуляторных" генах. Однако, эти же белки также способствуют транспорту сопровождающих их белков через мембраны и теперь вовлечены в иммунные ответы (см. Hsp60) и апоптотический путь (см. Hsp70). Недавно было обнаружено, что микроРНК производятся из внутренних транскрибированных спейсеров генов рРНК. Таким образом, внутренний компонент структурного гена фактически является регуляторным. Участки связывания микроРНК также были обнаружены в кодирующих последовательностях генов. Как правило, интерферирующие РНК нацелены на 3'-UTR, но включение участков связывания в последовательность самого белка позволяет транскриптам этих белков эффективно регулировать микроРНК внутри клетки. Было показано, что это взаимодействие влияет на экспрессию, и, следовательно, структурный ген содержит регуляторный компонент.
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.