13.3: Organizacja genów

Przegląd

Genomy eukariontów można podzielić na kilka kategorii funkcjonalnych. Nić DNA składa się z genów i regionów międzygenowych. Same geny składają się z eksonów kodujących białka i niekodujących intronów. Introny są wycinane po transkrypcji sekwencji na mRNA, pozostawiając jedynie eksony kodujące białka.

Geny eukariotyczne są oddzielone regionami międzygenowymi

W genomach eukariotycznych geny są oddzielone dużymi odcinkami DNA, które nie kodują białek. Jednakże te regiony międzygenowe niosą ważne elementy regulujące aktywność genów, na przykład promotor, w którym rozpoczyna się transkrypcja, oraz wzmacniacze i tłumiki, które dostrajają ekspresję genów. Czasami te miejsca wiązania mogą być zlokalizowane daleko od powiązanego genu.

Egzony kodujące białka są przeplatane intronami

Badając proces transkrypcji genów u eukariontów, badacze zdali sobie sprawę, że końcowy mRNA kodujący białko jest krótszy niż DNA, z którego pochodzi. Ta różnica długości wynika z procesu zwanego łączeniem. Po transkrypcji pre-mRNA z DNA w jądrze, splicing natychmiast usuwa introny i łączy ze sobą eksony. Rezultatem jest mRNA kodujący białko, który przemieszcza się do cytoplazmy i ulega translacji na białko.

Liczba intronów na gen może się znacznie różnić

Jeden z największych ludzkich genów, DMD, ma długość ponad dwóch milionów par zasad. Gen ten koduje dystrofinę białka mięśniowego. Mutacje w DMD powodują dystrofię mięśni, zaburzenie charakteryzujące się postępującą degradacją mięśni. Gen ten zawiera 79 eksonów i 103 introny. Na drugim końcu spektrum znajduje się gen histonu H1A — jest to jeden z najmniejszych genów w ludzkim genomie, mający zaledwie 781 par zasad i jeden ekson i brak intronów.

Introny pełnią ważne funkcje

Czy introny to śmieciowe DNA, które należy usunąć? Co ciekawe, introny mogą przenosić elementy ważne dla regulacji genów. Co więcej, przecięcie początkowego transkryptu i ponowne połączenie eksonów umożliwia przetasowanie sekwencji DNA. Ten proces mieszania i dopasowywania eksonów nazywany jest alternatywnym splicingiem. Umożliwia wytworzenie kilku wariantów białka z jednej sekwencji kodującej.

Zdecydowana większość ludzkiego genomu nie koduje białek

Czy wiesz, że 99% Twojego genomu nie koduje białek? Na początku badań nad genomem biolodzy ukuli chwytliwy termin ‘śmieciowe DNA‘ dla tych pozornie niefunkcjonalnych sekwencji. Tymczasem dowiedzieliśmy się, że duża część niekodującego DNA faktycznie pełni ważne funkcje. Co najmniej 9% ludzkiego genomu bierze udział w regulacji genów — czyli dziewięć razy więcej niż sekwencje kodujące białka.

Wraz ze złożonym układem materiału genetycznego w jądrze komórki, ludzkie geny wykazują również swoją własną, unikalną organizację.

Pomiędzy chromosomami rozsianych jest ponad 20 000 genów, czasami oddzielonych rozległymi odcinkami niekodującego DNA lub tego, które nie koduje białek. Kluczem do organizacji pojedynczego genu jest jego promotor, do którego może przyłączać się maszyneria, zwłaszcza polimeraza RNA.

Kiedy enzym ten rozpoznaje pobliskie miejsce inicjacji transkrypcji, zaczyna generować nić RNA, używając DNA jako matrycy. Polimeraza następnie przechodzi przez materiał genetyczny i kontynuuje wytwarzanie RNA, dopóki nie zidentyfikuje sekwencji zakończenia transkrypcji genu, zatrzymując proces.

Co ważne, pomiędzy tymi punktami początkowymi i końcowymi leżą obszary zwane intronami i eksonami, które znajdują odzwierciedlenie w produkcie RNA. Jednak kolejne procesy usuwają introny z tego transkryptu.

Ponieważ ten RNA zostanie wykorzystany do generowania białek, eksony są oznaczone jako regiony kodujące, podczas gdy introny są kolejnym przykładem materiału niekodującego.

Co ciekawe, inne typy niekodującego DNA, takie jak tłumiki, również wiążą się z genami. Białka zwane represorami wiążą się z tymi regionami, zapobiegając asocjacji polimerazy-promotora, hamując transkrypcję. W rezultacie tłumiki pomagają regulować ekspresję genów.

Tak więc gen składa się z różnych składników. Wśród nich promotor, eksony, introny i elementy regulatorowe, które razem pomagają określić ekspresję białka w komórce.