Структура гена с кодуючими и некодуючими нуклеотидними последовательностями ДНК.

Химическая структура

У подавляющего большинства живых организмов гены закодированы в цепях ДНК. ДНК является полимером из четырех типов нуклеотидов, каждый из которых состоит из моносахарида класса пентоз, фосфатной группы, и одного из четырех азотистых оснований: аденина, цитозину, гуаніну и тимина.

Наиболее распространенной формой ДНК в клетке является структура в форме правой двойной спирали из двух отдельных нитей ДНК. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин - только с цитозином.

Благодаря химическим особенностям связи между пентозними остатками нуклеотидов, ДНК имеют полярность. Один конец ДНК-полимера заканчивается 3-гідроксильною группой дезоксирибози и называется три-прайм, а другой - 5-фосфатной группой и называется пять-прайм. Полярность цепочки играет важную роль в клеточных процессах. Например, при синтезе ДНК удлинение цепочки возможно только путем присоединения новых нуклеотидов к свободному 3 конца.

Функциональная структура

На молекулярном уровне ген состоит из двух структурных участков:

1. ДНК участка, из которого в результате транскрипции считывается одноланцюгова РНК-копия.

2. Дополнительные ДНК участки, которые задействованы в регуляции копирования. Например, промотор и енхансери.

Комбинация и последовательность этих участков могут быть особыми для каждого конкретного гена, а также структура гомологичных генов у разных организмов могут существенно отличаться. Типичном гена эукариот предшествует регуляторная ДНК-участок - промотор, к которому присоединяются фермент РНК-полимераза и факторы транскрипции и обеспечивают процесс транскрипции. Типичный транскрипт гена содержит некодуючі участка интроне, которые вырезаются во время сплайсинга, а екзони сшиваются друг с другом в зрелую мРНК. Вариации во время альтернативного сплайсинга могут приводить к сшивки разных участков экзонов и образования различных вариантов мРНК, которая считана с одного участка ДНК. Отношение длины и числа интронов в генах очень разнообразное. Есть гены как с одним интроном, в то время, как существуют гены, в которых интроне составляют до 95% всей нуклеотидной последовательности. Самый длинный человеческий ген белка дистрофина имеет длину 2,5 миллиона нуклеотидов и кодирует пептид длиной 3685 аминокислот. Доля кодирующей последовательности составляет 0,44 %.

Зрелая мРНК содержит открытую рамку считывания, а также некодуючі элементы: 5-нетрансльовану участок, и 3-нетрансльовану участок. Эти участки задействованы в регуляции процесса трансляции, а также регулирует активность специфических ферментов, разрушающих мРНК - РНКаз.

Гены прокариот отличаются от генов еукариотів тем, что не содержат в своей структуре интронов. При этом отдельные кодуючі участки могут быть расположены плотно друг к другу так, что регулируются общим структурным элементом - промотором. В таком случае подобный генный кластер считывается общим транскриптом, но транслируется в различные белки. Такая совместная генная структура называется опероном. Оперони - типичные генные кластеры у прокариот.

Гены кодируют не только мРНК, которая транслируется в белок, а также структурную рибосомну РНК, транспортной РНК, рибозими и мікроРНК, которые играют регуляторную функцию.

Геномная организация

Общая сукупість генов в организме или клетке называется геномом. У прокариот подавляющее большинство генов, расположенные в одной хромосоме, имеет вид кольцевой ДНК. У эукариот обычно несколько отдельных линейных спиралей ДНК упакованы в плотные комплексы ДНК-белок, называются хромосомами. Гены, расположенные на одной хромосоме у одного вида, у другого вида могут быть расположены на разных хромосомах.

Место на хромосоме, где расположен ген, называется локусом. Гены также не равномерно распределены по хромосомах, а частично сгруппированы в так называемые кластеры. Генный кластер может содержать как случайные гены, расположенные в непосредственной близости друг к другу, так и группы генов, которые кодируют белки, находятся в функциональной зависимости. Гены, белки которых имеют схожие функции, также могут быть расположены на разных хромосомах.

Многие виды могут содержать несколько копий одного и того же гена в геноме соматической клетки. Клетки или организмы с одной копией гена на каждой хромосоме, называются гаплоїдними; с двумя копиями - диплоидными, с более чем двумя - поліплоїдними. Копии гена на парных хромосомах могут быть не идентичными. Во время полового размножения одна копия гена наследуется от одного отца, другая - от другого.

По предварительным оценкам, количество человеческих генов составляет 50 000-100 000. Лишь небольшое их количество транслируется в белок (~20 000 у человека, мышей и дрозофил, ~13 000 в круглых червей, >46 000 в риса)[6]. Таким образом, лишь 1-2% генома кодирует белки. Большая часть генома транскрибируется в виде интронов, ретротранспозонов и в некодуючу РНК.