Структурный ген - Structural gene

А структурный ген это ген который кодирует любую РНК или белковый продукт, кроме регуляторного фактора (т.е. регуляторный белок ). Термин происходит от лак оперон структурные гены обычно рассматриваются как гены, содержащие последовательности ДНК, соответствующие аминокислотам белка, который будет продуцироваться, при условии, что указанный белок не регулирует экспрессию генов. Структурные генные продукты включают ферменты и структурные белки. Также структурными генами кодируются некодирующие РНК, такие как рРНК и тРНК (но исключая любые нормативные миРНК и миРНК ).

Размещение в геноме

В прокариоты структурные гены родственной функции обычно соседствуют друг с другом на одной цепи ДНК, образуя оперон. Это позволяет более просто регулировать экспрессию генов, поскольку один регуляторный фактор может влиять на транскрипцию всех связанных генов. Лучше всего это иллюстрируют хорошо изученные лак оперон, в котором три структурных гена (lacZ, лысый, и lacA ) все регулируются одним промотором и одним оператором. Структурные гены прокариот транскрибируются в полицистронную мРНК и впоследствии транслируются.[1]

В эукариоты, структурные гены не размещаются последовательно. Вместо этого каждый ген состоит из кодирования экзоны и вкрапления некодирования интроны. Регуляторные последовательности обычно находятся в некодирующих областях выше и ниже гена. МРНК структурных генов должны быть сплайсированы до трансляции для удаления интронных последовательностей. Это, в свою очередь, связано с эукариотическим феноменом альтернативное сращивание, в котором одна мРНК из одного структурного гена может продуцировать несколько различных белков, в зависимости от того, какие экзоны включены. Несмотря на сложность этого процесса, по оценкам, до 94% человеческих генов тем или иным образом сплайсируются.[2] Кроме того, в разных типах тканей возникают разные схемы сращивания.[3]

Исключением из этой схемы у эукариот являются гены гистоновых белков, в которых полностью отсутствуют интроны.[4] Также различаются кластеры рДНК структурных генов, в которых последовательности 28S, 5.8S и 18S являются смежными, разделенными короткими внутренне транскрибируемыми спейсерами, и аналогично 45S рДНК встречается в пяти разных местах генома, но сгруппирована в соседние повторы. У эубактерий эти гены организованы в опероны. Однако у архебактерий эти гены не являются смежными и не имеют сцепления.[5]

Роль в заболевании человека

Выявление генетической основы возбудителя заболевания может быть важным компонентом понимания его последствий и распространения. Расположение и содержание структурных генов может пролить свет на эволюцию вирулентности,[6] а также предоставить необходимую информацию для лечения. Точно так же понимание конкретных изменений в последовательностях структурных генов, лежащих в основе увеличения или уменьшения вирулентности, помогает понять механизм, с помощью которого болезни влияют на их хозяев.[7]

Например, Yersinia pestis (в бубонная чума ), как было обнаружено, несет на плазмидах несколько структурных генов вирулентности и воспаления.[8] Точно так же структурный ген, ответственный за столбняк было определено, что он также переносится на плазмиде.[9] Дифтерия вызывается бактерией, но только после того, как эта бактерия была инфицирована бактериофагом, несущим структурные гены токсина.[10]

В Вирус простого герпеса структурная последовательность гена, отвечающая за вирулентность, была обнаружена в двух местах генома, несмотря на то, что только одно место действительно продуцирует продукт вирусного гена. Было выдвинуто предположение, что это может служить потенциальным механизмом восстановления вирулентности штаммов в случае потери в результате мутации.[11]

Понимание специфических изменений структурных генов, лежащих в основе увеличения или уменьшения вирулентности, является необходимым шагом в формировании конкретных методов лечения, а также в изучении возможных медицинских применений токсинов.[10]

Филогенетика

Еще в 1974 году сходство последовательностей ДНК было признано ценным инструментом для определения родства между таксонами.[12] Структурные гены в целом более консервативны из-за функциональных ограничений и поэтому могут оказаться полезными при исследовании более разнородных таксонов. Оригинальный анализ обогащенных образцов на структурные гены путем гибридизации с мРНК.[13]

Более поздние филогенетические подходы сосредоточены на структурных генах с известной функцией, консервативными в разной степени. Последовательности рРНК являются частыми мишенями, поскольку они консервативны у всех видов.[14] Микробиология специально нацелена на ген 16S, чтобы определить различия на уровне видов.[15] В таксонах более высокого порядка COI теперь считается «штрих-кодом жизни» и применяется в большинстве случаев биологической идентификации.[16]

Дебаты

Несмотря на широко распространенную классификацию генов как структурных или регуляторных, эти категории не являются абсолютным разделением. Недавние генетические открытия ставят под сомнение различие между регуляторными и структурными генами.[17]

Различие между регуляторными и структурными генами можно отнести к оригинальной работе 1959 года по экспрессии белка оперона Lac.[18] В этом случае был обнаружен единственный регуляторный белок, который повлиял на транскрипцию других белков, которые, как известно, составляют оперон Lac. С этого момента два типа кодирующих последовательностей были разделены.[18]

Однако все большее количество открытий регуляции генов предполагает большую сложность. Экспрессия структурных генов регулируется множеством факторов, включая эпигенетика (например, метилирование), РНКи и т. д. Регуляторные и структурные гены могут одинаково эпигенетически регулироваться, поэтому не вся регуляция кодируется «регуляторными генами».[17]

Есть также примеры белков, которые явно не подходят ни к одной из категорий, например белки-шапероны. Эти белки помогают в сворачивании других белков, что, по-видимому, играет регулирующую роль.[19][20] Тем не менее, эти же белки также помогают в перемещении своих белков-шаперонов через мембраны,[21] и теперь участвуют в иммунных ответах (см. Hsp60 ) [22] и в апоптотическом пути (см. Hsp70 ).[23]

Совсем недавно было обнаружено, что микроРНК продуцируются из внутренних транскрибированных спейсеров генов рРНК.[24] Таким образом, внутренний компонент структурного гена, по сути, является регуляторным. Сайты связывания для микроРНК также были обнаружены в кодирующих последовательностях генов. Обычно мешающие РНК нацелены на 3’UTR, но включение сайтов связывания в последовательность самого белка позволяет транскриптам этих белков эффективно регулировать микроРНК внутри клетки. Было продемонстрировано, что это взаимодействие влияет на экспрессию, и, таким образом, снова структурный ген содержит регуляторный компонент.[25]

Рекомендации

  1. ^ Мюллер-Хилл, Бенно (1 января 1996 г.). Lac Operon: краткая история генетической парадигмы. Вальтер де Грюйтер. ISBN  9783110148305.
  2. ^ Ван, Эрик Т .; Сандберг, Рикард; Ло, Шуцзюнь; Хребтукова Ирина; Чжан, Лу; Майр, Кристина; Кингсмор, Стивен Ф .; Schroth, Gary P .; Бердж, Кристофер Б. (2008). «Альтернативная регуляция изоформ в транскриптомах тканей человека». Природа. 456 (7221): 470–476. Дои:10.1038 / природа07509. ЧВК  2593745. PMID  18978772.
  3. ^ Йео, Джин; Холсте, Дирк; Крейман, Габриэль; Бердж, Кристофер Б. (2004-01-01). «Вариации альтернативного сплайсинга в тканях человека». Геномная биология. 5 (10): R74. Дои:10.1186 / gb-2004-5-10-r74. ISSN  1474-760X. ЧВК  545594. PMID  15461793.
  4. ^ Makałowski, W. (2001-01-01). «Структура и организация генома человека». Acta Biochimica Polonica. 48 (3): 587–598. ISSN  0001-527X. PMID  11833767.
  5. ^ Вт, Дж; Зиллиг, В. (1982-11-25). «Организация структурных генов рРНК в архебактериях Thermoplasma acidophilum». Исследования нуклеиновых кислот. 10 (22): 7231–7245. Дои:10.1093 / nar / 10.22.7231. ISSN  0305-1048. ЧВК  327000. PMID  7155894.
  6. ^ Среевацан, Сринанд; Пан, Си; Stockbauer, Kathryn E .; Коннелл, Нэнси Д .; Kreiswirth, Barry N .; Whittam, Thomas S .; Musser, Джеймс М. (1997-09-02). «Ограниченный структурный полиморфизм генов в комплексе Mycobacterium tuberculosis указывает на недавнее эволюционное глобальное распространение». Труды Национальной академии наук. 94 (18): 9869–9874. Дои:10.1073 / пнас.94.18.9869. ISSN  0027-8424. ЧВК  23284. PMID  9275218.
  7. ^ Maharaj, Payal D .; Анищенко, Михаил; Langevin, Stanley A .; Фанг, Инь; Райзен, Уильям К .; Браулт, Аарон К. (01.01.2012). «Химеры структурных генов (prME) вируса энцефалита Сент-Луиса и вируса Западного Нила демонстрируют измененные in vitro цитопатический фенотип и фенотип роста». Журнал общей вирусологии. 93 (1): 39–49. Дои:10.1099 / vir.0.033159-0. ЧВК  3352334. PMID  21940408.
  8. ^ Брубейкер, Роберт Р. (2007-08-01). «Как продукты структурных генов Yersinia pestis связаны с вирулентностью». Будущая микробиология. 2 (4): 377–385. Дои:10.2217/17460913.2.4.377. ISSN  1746-0921. PMID  17683274.
  9. ^ Finn, C.W .; Silver, R.P .; Habig, W.H .; Hardegree, M.C .; Zon, G .; Гарон, К. Ф. (25 мая 1984 г.). «Структурный ген нейротоксина столбняка находится на плазмиде». Наука. 224 (4651): 881–884. Дои:10.1126 / science.6326263. ISSN  0036-8075. PMID  6326263.
  10. ^ а б Greenfield, L .; Bjorn, M. J .; Рог, G .; Fong, D .; Бак, Г. А .; Collier, R.J .; Каплан, Д. А. (1983-11-01). «Нуклеотидная последовательность структурного гена дифтерийного токсина, переносимого бета-коринебактериофагом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 80 (22): 6853–6857. Дои:10.1073 / pnas.80.22.6853. ISSN  0027-8424. ЧВК  390084. PMID  6316330.
  11. ^ Книп, Дэвид; Ruyechan, Уильям; Честное слово, Роберт; Ройзман, Бернард (1979). «Молекулярная генетика вируса простого герпеса: концевые последовательности L- и S-компонентов обязательно идентичны и составляют часть структурного картирования генов преимущественно в S-компоненте» (PDF). Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 76 (9): 4534–4538. Дои:10.1073 / пнас.76.9.4534. ЧВК  411612. PMID  228300.
  12. ^ Мур, Р. Л. (1974-01-01). Реассоциация нуклеиновых кислот как указатель генетического родства между бактериями. Актуальные темы микробиологии и иммунологии. Современные аспекты электрохимии. 64. С. 105–128. Дои:10.1007/978-3-642-65848-8_4. ISBN  978-3-642-65850-1. ISSN  0070-217X. PMID  4602647.
  13. ^ Angerer, R.C .; Davidson, E.H .; Бриттен, Р. Дж. (1976-07-08). «Единственная копия ДНК и отношения структурных последовательностей генов среди четырех видов морских ежей». Хромосома. 56 (3): 213–226. Дои:10.1007 / bf00293186. ISSN  0009-5915. PMID  964102.
  14. ^ Pruesse, E .; Quast, C .; Knittel, K .; Fuchs, B.M .; Ludwig, W .; Peplies, J .; Глокнер, Ф. О. (2007-12-01). «SILVA: всеобъемлющий онлайн-ресурс для проверенных и согласованных данных о последовательностях рибосомных РНК, совместимых с ARB». Исследования нуклеиновых кислот. 35 (21): 7188–7196. Дои:10.1093 / нар / гкм864. ISSN  0305-1048. ЧВК  2175337. PMID  17947321.
  15. ^ Чун, Чонгсик; Ли, Джэ-Хак; Юнг, Юнён; Ким, Мёнджин; Ким, Сейл; Ким, Бьюнг Квон; Лим, Ён-Вун (01.01.2007). «EzTaxon: веб-инструмент для идентификации прокариот на основе последовательностей гена 16S рибосомной РНК». Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии. 57 (10): 2259–2261. Дои:10.1099 / ijs.0.64915-0. PMID  17911292.
  16. ^ Hebert, Paul D. N .; Цивинская, Алина; Болл, Шелли Л .; ДеВаард, Джереми Р. (07.02.2003). «Биологическая идентификация с помощью штрих-кодов ДНК». Труды Лондонского королевского общества B: биологические науки. 270 (1512): 313–321. Дои:10.1098 / rspb.2002.2218. ISSN  0962-8452. ЧВК  1691236. PMID  12614582.
  17. ^ а б Пиро, Росарио Майкл (29 марта 2011 г.). «Все ли гены регуляторные гены?». Биология и философия. 26 (4): 595–602. Дои:10.1007 / s10539-011-9251-9. ISSN  0169-3867.
  18. ^ а б Парди, Артур Б .; Якоб, Франсуа; Моно, Жак (1959-06-01). «Генетический контроль и цитоплазматическая экспрессия« индуцибельности »синтеза β-галактозидазы E. coli». Журнал молекулярной биологии. 1 (2): 165–178. Дои:10.1016 / S0022-2836 (59) 80045-0.
  19. ^ Хендрик, Дж. П .; Хартл, Ф. У. (1995-12-01). «Роль молекулярных шаперонов в сворачивании белков». Журнал FASEB. 9 (15): 1559–1569. Дои:10.1096 / fasebj.9.15.8529835. ISSN  0892-6638. PMID  8529835.
  20. ^ Сайбил, Хелен (01.10.2013). «Шаперонные машины для сворачивания, разворачивания и дезагрегации белков». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 14 (10): 630–642. Дои:10.1038 / nrm3658. ISSN  1471-0072. ЧВК  4340576. PMID  24026055.
  21. ^ Koll, H .; Guiard, B .; Rassow, J .; Ostermann, J .; Horwich, A. L .; Neupert, W .; Хартл, Ф. У. (1992-03-20). «Антифолдинг-активность hsp60 связывает импорт белка в митохондриальный матрикс с экспортом в межмембранное пространство» (PDF). Клетка. 68 (6): 1163–1175. Дои:10.1016 / 0092-8674 (92) 90086-р. ISSN  0092-8674. PMID  1347713.
  22. ^ Hansen, Jens J .; Бросс, Питер; Вестергаард, Майкен; Нильсен, Марит Нихольм; Эйберг, Ганс; Børglum, Anders D .; Могенсен, Йенс; Кристиансен, Карстен; Болунд, Ларс (01.01.2003). «Геномная структура генов митохондриальных шаперонинов человека: HSP60 и HSP10 расположены лицом к лицу на хромосоме 2, разделенных двунаправленным промотором». Генетика человека. 112 (1): 71–77. Дои:10.1007 / s00439-002-0837-9. ISSN  0340-6717. PMID  12483302.
  23. ^ Каппелло, Франческо; Ди Стефано, Антонино; Дэвид, Сабрина; Раппа, Франческо; Анзалоне, Рита; Ла Рокка, Джампьеро; Д'Анна, Сильвестро Э .; Магно, Франческа; Доннер, Клаудио Ф. (15 ноября 2006 г.). «Понижающая регуляция Hsp60 и Hsp10 предсказывает канцерогенез бронхиального эпителия у курильщиков с хронической обструктивной болезнью легких». Рак. 107 (10): 2417–2424. Дои:10.1002 / cncr.22265. ISSN  0008-543X. PMID  17048249.
  24. ^ Сын Донг Джу; Кумар, Сандип; Такабэ, Вакако; Ким, Чан Ву; Ни, Чи-Вэнь; Альбертс-Гриль, Ноа; Чан, Ин-Хван; Ким, Сангок; Ким, Ванкю (2013-12-18). «Атипичная механочувствительная микроРНК-712, полученная из прерибосомальной РНК, вызывает эндотелиальное воспаление и атеросклероз». Nature Communications. 4: 3000. Дои:10.1038 / ncomms4000. ISSN  2041-1723. ЧВК  3923891. PMID  24346612.
  25. ^ Форман, Джошуа Дж .; Коллер, Хилари А. (15 апреля 2010 г.). «Код в коде: микроРНК нацелены на кодирующие области». Клеточный цикл. 9 (8): 1533–1541. Дои:10.4161 / cc.9.8.11202. ISSN  1538-4101. ЧВК  2936675. PMID  20372064.

внешняя ссылка