Учебное пособие Якупов Т. Р. Молекулярная биотехнология Биоинженерия Казань 2016

Структура гена. Особенности генома эукариот
Ген – участок ДНК, несущий информацию о строении одного полипептида или одной РНК.
В последние годы произошло некоторое уточнение и теперь считается, что ген - ассоциированный с регуляторными последовательностями фрагмент молекулы ДНК, соответствующий единице транскрипции на хромосоме.
Гены человека, как и других высших организмов, включают экзоны и интроны. В то время как экзоны содержат кодирующие последовательности гена, функции итронов остаются не до конца выясненными, а они, как правило, составляют основную часть гена.

Рис.5. Модель общей структуры гена человека
С момента открытия в 1988 г. стало известно несколько важных функций интронов:
- наличие интронов открывает возможность альтернативного сплайсинга, благодаря которому один ген может кодировать несколько различных белков; 
- некоторые интроны содержат энхансеры и способны активно регулировать экспрессию генов, которым они принадлежат; 
- транскрибированные интроны способны участвовать в организации процессов авторегуляции синтеза белка путем нарушения созревания пре-мРНК, а следовательно экспорт и трансляцию.
На границе экзонов и интронов располагается консенсусная, эволюционно консервативная последовательность, которая распознается ферментами сплайсинга, т.е. ферментами для вырезания интронов из первичного транскрипта мРНК. На 3'-конце гена уже в некодирующей части расположен сайт, обеспечивающий добавление 100 - 200 остатков аденина к мРНК для обеспечения ее стабильности.
Для каждого гена характерна так называемая открытая рамка считывания, т.е. наличие последовательности триплетов, кодирующих аминокислоты, неперебиваемые стоп-кодонами или бессмысленными триплетами.
У эукариот около 5% ДНК составляют экзоны, 25% – интроны, а остальные 70% составляют спейсеры – нетранскрибируемые участки ДНК между генами. К ним относятся участки:
- принимающие участие в компактизации ДНК;
- принимающие участие в укладке хроматина в интерфазном ядре, в том числе прикрепляющие ДНК к ядерной оболочке изнутри;
- центромеры – участки, к которым прикрепляются нити веретена деления;
- теломеры – концевые участки хромосом, выполняющие защитную роль;
- промоторы, операторы, энхансеры и терминатор.
Главная количественная особенность генетического материала эукариот – наличие избыточной ДНК. Этот факт легко выявляется при анализе отношения числа генов к количеству ДНК в геноме бактерий и млекопитающих. Например, у человека насчитывают приблизительно 30 тысяч генов. В то же время размер генома человека 3×10⁹ п.н. Это означает, что кодирующая часть его генома составляет всего 15-20 % от тотальной ДНК. Существует значительное число видов, геном которых в десятки раз больше генома человека, например некоторые рыбы, амфибии и др. Избыточная ДНК характерна для всех эукариот.
В конце 60-х годов работами американских ученых Р. Бриттена, Э. Дэвидсона и др. была открыта фундаментальная особенность молекулярной структуры генома эукариот – повторяемость нуклеотидных последовательностей, которые условно подразделяются на несколько видов:
1. Уникальные повторы - последовательности, представленные в одном экземпляре или немногими копиями.
2. Низкочастотные повторы – последовательности, повторяющиеся десятки раз.
3. Промежуточные, или среднечастотные повторы – последовательности, повторяющиеся сотни и тысячи раз. К ним относятся гены рРНК, тРНК, гены рибосомных белков и белков-гистонов.
4. Высокочастотные повторы, число которых достигает до 10 миллионов на геном. Это короткие (~ 10 п.н.) некодирующие последовательности нуклеотидов – сателлитная ДНК.
Повторы образуют так называемые семейства, под которыми понимают совокупность последовательностей, полностью или по большей части гомологичных друг другу.
Функции большинства повторяющихся и уникальных последовательностей пока не определены. Еще в 30-х годах было показано, что в генетическом отношении эти районы инертны, т. е. не содержат генов. В действительности столь малые последовательности, составляющие сателлитную ДНК, не могут кодировать ничего, кроме олигопептидов. Следует отметить, что эта фракция у огромного большинства видов занимает не более 10% генома. Близкие виды, например мышь и крыса, имеют совершенно различные высокочастотные последовательности, у крысы их нуклеотидный состав не отличается от основной ДНК, тогда как геном мыши содержит четкий АТ - богатый сателлит. Это означает, что высокочастотная ДНК способна к быстрым изменениям в ходе видообразования. Таким образом, в высокочастотных последовательностях ДНК, в их качественном и количественном составе отражается тождество молекулярной организации и генетических свойств хромосомной ДНК эукариот.