Ген і геном: будова гена прокаріотів і еукаріотів

Уявімо молекулу ДНК як довгий текст, написаний чотирилітерним алфавітом (А, Т, Г, Ц). Не вся ця «книга» містить осмислені речення — окремі ділянки, які несуть інструкцію для клітини, називають генами. Саме завдяки генам організм синтезує білки й функціональні молекули РНК, які визначають його будову та життєдіяльність.

Що таке ген?

Ген — це ділянка молекули ДНК (у РНК-вмісних вірусів — РНК), що містить інформацію для утворення поліпептидного продукту (білка) або функціональної РНК (рРНК, тРНК). Термін «ген» запропонував данський учений Вільгельм Йогансен 1909 року. Місце, яке ген займає в хромосомі, називають локусом.

Гени поділяють на два великі класи:

• Структурні гени — кодують білки й молекули РНК (рРНК, тРНК). Саме їхній продукт безпосередньо виконує функції в клітині.

• Регуляторні гени — кодують білки, які вмикають або вимикають інші гени. Наприклад, ген білка-репресора в лактозному опероні кишкової палички.

У людини налічують близько 20 тисяч генів, що кодують білки. Це лише невелика частка від усієї ДНК геному.

Будова гена: три ключові ділянки

Кожен ген має три обов'язкові частини, розташовані в певному порядку:

Запам'ятай: ген — це не просто «ділянка ДНК, що кодує білок». Ген також може кодувати молекули РНК (рРНК, тРНК), які не перетворюються на білок, але виконують важливі функції в клітині.

Гени більшості еукаріотів влаштовані складніше, ніж простіша схема «промотор — кодувальна ділянка — термінатор». Їх називають мозаїчними (або переривчастими), тому що кодувальна інформація в них розбита на окремі фрагменти, які чергуються з ділянками, що не кодують білок.

Екзони та інтрони: визначення

У мозаїчному гені чергуються два типи ділянок:

• Екзони — ділянки гена, які зберігаються у зрілій іРНК після сплайсингу. Вони містять інформацію, що буде трансльована в білок (хоча частина екзону може бути нетрансльованою — 5'-UTR або 3'-UTR).

• Інтрони — ділянки гена, які вирізаються з первинного транскрипту (пре-іРНК) під час сплайсингу й не потрапляють у зрілу іРНК.

Інтрони 1977 року незалежно відкрили британський учений Річард Робертс (працював у США) й американський учений Філліп Шарп; 1993 року вони отримали Нобелівську премію з фізіології або медицини. Це відкриття докорінно змінило уявлення про будову генів.

Як відбувається сплайсинг

Процес дозрівання іРНК виглядає так:

1. З гена зчитується вся послідовність — і екзони, й інтрони. Утворюється пре-іРНК (первинний транскрипт).

2. Спеціальні ферменти (сплайсосома) вирізають інтрони.

3. Екзони зшиваються між собою — це власне сплайсинг.

4. Утворюється зріла іРНК, яка містить лише екзони.

Тому транскрибована ділянка гена з інтронами завжди довша за відповідну зшиту послідовність екзонів зрілої іРНК. Кількість нуклеотидів гена не можна прямо перерахувати в кількість амінокислот — спочатку треба відняти довжину інтронів.

Важливо: не кожен екзон повністю кодує білок. Екзони можуть містити нетрансльовані ділянки (UTR — untranslated regions) на 5'- і 3'-кінцях. Тому екзони ≠ кодувальна послідовність (CDS).

Приклад: ген β-глобіну людини

Ген β-глобіну — білка, що входить до складу гемоглобіну, — має 3 екзони й 2 інтрони. Загальна довжина гена — близько 1600 пар нуклеотидів, але зріла іРНК після вирізання інтронів має лише близько 600 нуклеотидів. У багатьох генів людини інтрони значно довші за екзони. Наприклад, ген дистрофіну (найдовший ген людини) має 79 екзонів, але інтрони займають понад 99 % його довжини.

Інтрони в прокаріотів

Більшість білок-кодувальних генів бактерій не містить інтронів. У їхній іРНК є кодувальні й нетрансльовані ділянки, але вони не розділені інтронами. Однак інтрони в прокаріотів трапляються — особливо в деяких генах, що кодують РНК (наприклад, у тРНК архей). Тому абсолютне твердження «у прокаріотів інтронів немає» неточне.

Навіщо еукаріотам інтрони?

• Завдяки інтронам можливий альтернативний сплайсинг — з одного гена можна отримати кілька різних білків.

• За поширеною гіпотезою, перетасовування екзонів між генами в еволюції давало змогу створювати нові білки з уже наявних «будівельних блоків».

• Частина інтронів містить регуляторні ділянки, які впливають на ефективність транскрипції.

Геном — це повний набір спадкової інформації організму, включно з кодувальною й некодувальною ДНК. Ядерний геном описують гаплоїдним набором хромосом. Окремо існують геноми органел — мітохондрій і пластид. Важливо не плутати: генотип — це набір алелів конкретної особини, а каріотип — сукупність ознак її хромосомного набору (кількість, форма, розміри хромосом).

Порівняння геномів прокаріотів і еукаріотів

Розгляньмо основні відмінності в таблиці:

Типовий бактеріальний геном на прикладі кишкової палички (Escherichia coli)

Геном кишкової палички — одна кільцева хромосома в нуклеоїді (близько 4,6 млн пар нуклеотидів) і понад 4 тисячі генів. Часто присутні плазміди — невеликі кільцеві молекули ДНК, що можуть передаватися між бактеріями. Частка кодувальної ДНК дуже висока, гени можуть утворювати оперони. Однак це не універсальна схема для всіх прокаріотів: в архей є гістони, трапляються інтрони, а деякі бактерії мають лінійні хромосоми.

Геном еукаріотів на прикладі людини

У гаплоїдному наборі людини (23 хромосоми) близько 3,2 млрд пар нуклеотидів. Однак ділянки, що кодують білки, становлять лише близько 1–2 % від усієї ДНК. Решта — інтрони, регуляторні ділянки, гени рРНК і тРНК, численні повторювані послідовності. Тому твердження «уся ДНК еукаріотів кодує білки» хибне.

Цікаво, що розмір геному не відображає складності організму. У деяких земноводних (наприклад, амфіум) і рослин ДНК у клітині в багато разів більше, ніж у людини. Це явище називають парадоксом значення C (C-value paradox).

Ключова відмінність у просторовій організації: у прокаріотів транскрипція й трансляція відбуваються одночасно в цитоплазмі, тоді як в еукаріотів вони розділені — транскрипція в ядрі, а трансляція в цитоплазмі.

Клітина не синтезує всі білки одночасно — це було б марною тратою енергії. Натомість гени вмикаються й вимикаються залежно від потреб клітини. Головний рівень такої регуляції — транскрипція: якщо ген не транскрибується, його білок не утворюється.

Оперон — модель регуляції в прокаріотів

Оперон — це група структурних генів прокаріотів зі спільним промотором і оператором, які транскрибуються разом, в одну молекулу іРНК. Модель оперону запропонували французькі вчені Франсуа Жакоб і Жак Моно 1961 року (Нобелівська премія 1965 року).

Лактозний оперон (lac-оперон) кишкової палички

Лактозний оперон — класичний приклад регуляції генів. Він містить:

• промотор — місце приєднання РНК-полімерази;

• оператор — ділянку, до якої приєднується білок-репресор;

• три структурні гени: lacZ (β-галактозидаза), lacY (пермеаза) і lacA (трансацетилаза).

Окремо від оперону розташований ген-регулятор lacI, який кодує білок-репресор.

Як працює оперон: два стани

Стан 1 — лактози немає

Білок-репресор, синтезований з гена lacI, приєднується до оператора. Це фізично блокує рух РНК-полімерази від промотора до структурних генів. Транскрипція lacZ, lacY, lacA різко пригнічена — лишається лише низька базальна активність (кілька молекул іРНК на клітину). Ферменти для засвоєння лактози майже не синтезуються.

Стан 2 — лактоза з'являється в середовищі

Лактоза, потрапивши в клітину, перетворюється на алолактозу (ізомер лактози). Алолактоза приєднується до білка-репресора й змінює його просторову структуру (конформацію). Репресор втрачає здатність зв'язуватися з оператором і від'єднується. РНК-полімераза тепер може транскрибувати структурні гени. Синтезуються β-галактозидаза, пермеаза й трансацетилаза — клітина засвоює лактозу.

Коли лактоза в середовищі закінчується, алолактоза перестає утворюватися, репресор повертає свою активну форму й знову блокує оператор. Для сильної транскрипції lac-оперону важлива також відсутність або низька концентрація глюкози — це другий рівень регуляції (катаболітна репресія).

Альтернативний сплайсинг — регуляція в еукаріотів

В еукаріотів кожен ген регулюється окремо, багатьма регуляторними білками. Однак є додатковий рівень регуляції після транскрипції — альтернативний сплайсинг.

Альтернативний сплайсинг — це різне поєднання екзонів однієї пре-іРНК у зрілих іРНК. Залежно від того, які екзони залишаються, а які вирізаються разом з інтронами, з одного гена можуть утворюватися різні білки.

Класичний приклад — ген кальцитоніну. У клітинах щитоподібної залози з нього утворюється гормон кальцитонін, а в нейронах — інший пептид (CGRP), який бере участь у больовій сигналізації. Різниця — у виборі екзонів під час сплайсингу.

Завдяки альтернативному сплайсингу кількість різних білків у людини значно більша, ніж кількість генів. За оцінками, з близько 20 тисяч генів людини утворюється понад 100 тисяч різних білкових варіантів.

Схема роботи лактозного оперону

На діаграмі нижче показано, як змінюється стан оперону за відсутності й за наявності лактози.

Розв'яжемо кілька типових завдань НМТ на тему будови гена й геному.

Приклад 1. Ознаки генів прокаріотів

Завдання: Яка з перелічених ознак характерна для генів прокаріотів?

• А мозаїчна будова: екзони чергуються з інтронами

• Б ДНК намотана на білки-гістони

• В кілька структурних генів мають спільний промотор (оперон)

• Г кожен структурний ген транскрибується окремо з власного промотора

Розв'язання: Прокаріоти (бактерії) не мають оформленого ядра, їхня ДНК не упакована з гістонами (виключаємо Б). Більшість білок-кодувальних генів бактерій не містить інтронів (виключаємо А — це ознака еукаріотів). Гени прокаріотів часто об'єднані в оперони зі спільним промотором, а окрема транскрипція кожного гена — ознака еукаріотів (виключаємо Г). Правильна відповідь — В.

Відповідь: В

Чому інші варіанти неправильні:

• А — мозаїчні гени з інтронами характерні для еукаріотів; у більшості білок-кодувальних генів бактерій інтронів немає.

• Б — гістони є в еукаріотів (і в архей), а ДНК бактерій з гістонами не упакована.

• Г — окрема транскрипція кожного гена характерна для еукаріотів; у прокаріотів гени часто об'єднані в оперони.

Приклад 2. Два твердження про інтрони й альтернативний сплайсинг

Завдання: Оцініть правильність двох тверджень.

I. Інтрони — ділянки гена, інформація яких зберігається в зрілій іРНК.

II. Завдяки альтернативному сплайсингу з одного гена можуть утворюватися різні білки.

• А правильне лише I

• Б правильне лише II

• В обидва правильні

• Г обидва неправильні

Розв'язання: Твердження I хибне: інтрони вирізаються з пре-іРНК під час сплайсингу й не зберігаються в зрілій іРНК. У зрілій іРНК залишаються екзони. Твердження II правильне: альтернативний сплайсинг дає змогу з однієї пре-іРНК утворювати різні зрілі іРНК, а отже, й різні білки. Правильна відповідь — Б.

Відповідь: Б

Чому інші варіанти неправильні:

• А — твердження I хибне: інтрони вирізаються й не зберігаються в зрілій іРНК.

• В — неправильно, бо твердження I хибне.

• Г — неправильно, бо твердження II правильне: альтернативний сплайсинг дає різні білки з одного гена.

Приклад 3. Лактозний оперон у дії

Завдання: Кишкову паличку перенесли в середовище, де лактоза є єдиним вуглеводом. Що станеться з лактозним опероном?

• А транскрипція структурних генів припиниться, бо лактоза зв'яжеться з оператором

• Б репресор від'єднається від оператора, і структурні гени почнуть активно транскрибуватися

• В лактоза приєднається до промотора замість РНК-полімерази

• Г нічого не зміниться: репресор і далі блокуватиме оператор

Розв'язання: Коли лактоза з'являється в середовищі, вона перетворюється на алолактозу. Алолактоза діє як індуктор: вона зв'язується з білком-репресором, змінює його форму, і репресор від'єднується від оператора. РНК-полімераза отримує доступ до структурних генів, транскрипція посилюється, синтезуються ферменти для засвоєння лактози. Правильна відповідь — Б.

Відповідь: Б

Чому інші варіанти неправильні:

• А — лактоза не зв'язується з ДНК; її похідна алолактоза зв'язує репресор і вмикає, а не вимикає оперон.

• В — до промотора приєднується РНК-полімераза, а лактоза з ДНК не взаємодіє.

• Г — алолактоза змінює конформацію репресора, тож він більше не може блокувати оператор.

Приклад 4. Два судження учнів про геном людини

Завдання: Двоє учнів висловили судження. Хто має рацію?

Оля: «Більша частина ДНК людини кодує білки.»

Петро: «Після вирізання інтронів зшита послідовність екзонів коротша за первинний транскрипт.»

• А має рацію лише Оля

• Б має рацію лише Петро

• В обидва мають рацію

• Г обидва помиляються

Розв'язання: Судження Олі хибне: білки кодує лише близько 1–2 % ДНК людини, а не більша частина. Судження Петра правильне: первинний транскрипт (пре-іРНК) містить і екзони, й інтрони; після вирізання інтронів зшита послідовність екзонів (зріла іРНК) справді коротша. Правильна відповідь — Б.

Відповідь: Б

Чому інші варіанти неправильні:

• А — Оля помиляється: білки кодує лише близько 1–2 % ДНК людини.

• В — неправильно, бо судження Олі хибне.

• Г — неправильно, бо Петро має рацію: після вирізання інтронів зшита послідовність екзонів коротша за первинний транскрипт.

Розгляньмо типові помилки в завданнях на цю тему і як їх уникнути.

• Помилка: вважають, що вся ДНК еукаріотів кодує білки. Насправді кодувальні ділянки становлять лише близько 1–2 % геному людини. Решта — інтрони, регуляторні ділянки, гени рРНК і тРНК, повтори.

• Помилка: плутають екзони й інтрони. Запам'ятай: у зрілій іРНК залишаються екзони, а інтрони вирізаються. Екзони = EXpressed regiON (експресована ділянка), інтрони = INTRON (intervening sequence — проміжна послідовність).

• Помилка: беззастережно поширюють модель кишкової палички на всіх прокаріотів. В архей є гістони й трапляються інтрони, а деякі бактерії мають лінійні хромосоми. Або навпаки — вважають оперони типовою будовою генів людини, хоча в еукаріотів кожен ген регулюється окремо.

• Помилка: вважають, що лактоза вмикає гени, приєднуючись безпосередньо до ДНК. Насправді лактоза перетворюється на алолактозу, яка зв'язує білок-репресор, а не ДНК. Або думають, що репресор сідає на промотор, а не на оператор. Репресор блокує оператор, а промотор — місце приєднання РНК-полімерази.

• Помилка: вважають, що один ген завжди кодує лише один білок. Альтернативний сплайсинг дає змогу з одного гена утворювати кілька різних білків залежно від того, які екзони зшиваються.

• Помилка: плутають геном, генотип і каріотип. Геном — це вся ДНК гаплоїдного набору (включно з некодувальною). Генотип — набір алелів конкретної особини. Каріотип — сукупність ознак хромосомного набору (кількість, форма, розміри хромосом).

Тема «Ген і геном» входить до теми 1.5 програми НМТ з біології: гени, їх будова й роль, мозаїчна будова гена еукаріотів (екзони, інтрони), геном, транскрипція й регуляція транскрипції. Від тебе вимагають знати будову геному про- й еукаріотів і регуляцію транскрипції (лактозний оперон, альтернативний сплайсинг).

Формат завдань

На НМТ ця тема може трапитися в завданнях з вибором однієї відповіді з чотирьох (А–Г, завдання 1–24, 0 або 1 бал), а як додаткова — і в логічних парах (завдання 25–28, до 4 балів). У демоваріанті НМТ-2026 тема 1.5 є основною в завданні № 6 (за рисунком) і додатковою в № 1 та в логічних парах № 25.

Підтипи завдань

Зверни увагу на два підтипи завдань з вибором однієї відповіді:

• «два твердження» — треба оцінити, чи правильні твердження I і II;

• «два судження учнів» — треба визначити, хто з учнів має рацію.

У цих підтипах оцінюй кожне твердження окремо, лише потім обирай варіант відповіді.

Стратегія виконання

У порівняннях чітко відрізняй типову бактеріальну модель від еукаріотної. Наявність оформленого ядра є визначальною ознакою, а твердження про інтрони й гістони потребують уточнення групи організмів (бактерії vs археї vs еукаріоти). Пам'ятай: lac-оперон — це модель регуляції саме прокаріотів, альтернативний сплайсинг — еукаріотів.

Тут зібрані відповіді на найпоширеніші запитання, які виникають під час вивчення теми.

• Ген — ділянка ДНК, що кодує поліпептид або молекулу РНК. Будова: промотор → кодувальна ділянка → термінатор.

• Гени еукаріотів мозаїчні: екзони залишаються в іРНК, інтрони вирізаються під час сплайсингу.

• Більшість білок-кодувальних генів бактерій без інтронів; частина об'єднана в оперони зі спільною регуляцією.

• Геном — ДНК гаплоїдного набору. У людини білки кодує лише близько 1–2 % ДНК.

• Лактозний оперон: без лактози репресор блокує оператор; алолактоза зв'язує репресор — транскрипція посилюється. Її рівень залежить також від глюкози.

• Альтернативний сплайсинг: один ген — кілька різних білків.