Genová struktura - Gene structure
Genová struktura je organizace specializovaných sekvence prvky v rámci gen. Geny obsahují informace nezbytné pro život buňky přežít a rozmnožovat se.[1][2] Ve většině organismů jsou geny vyrobeny z DNA, kde určitá sekvence DNA určuje funkci genu. Gen je přepsal (zkopírováno) z DNA do RNA, které mohou být buď nekódující (ncRNA ) s přímou funkcí nebo zprostředkujícím poslem (mRNA ), který je poté přeložen do protein. Každý z těchto kroků je řízen specifickými sekvenčními prvky nebo oblastmi v genu. Každý gen proto vyžaduje, aby bylo funkční více sekvenčních prvků.[2] To zahrnuje posloupnost, která ve skutečnosti kóduje funkční protein nebo ncRNA, stejně jako vícenásobné regulační sekvence regionech. Tyto oblasti mohou být krátké základní páry, dlouhé až mnoho tisíc párů bází.
Velká část genové struktury je mezi nimi velmi podobná eukaryoty a prokaryoty. Tyto společné prvky do značné míry vyplývají z sdílený původ z buněčný život v organismech před více než 2 miliardami let.[3] Klíčové rozdíly v genové struktuře mezi eukaryoty a prokaryoty odrážejí jejich odlišnou transkripci a translační aparát.[4][5] Porozumění genové struktuře je základem porozumění genu anotace, výraz, a funkce.[6]
Společné rysy
Struktury obou eukaryotických a prokaryotických genů zahrnují několik vnořených sekvenčních prvků. Každý prvek má ve vícestupňovém procesu specifickou funkci genová exprese. Sekvence a délky těchto prvků se liší, ale ve většině genů jsou přítomny stejné obecné funkce.[2] Ačkoli DNA je dvouvláknová molekula, obvykle pouze jedno z řetězců kóduje informace, které RNA polymeráza čte k produkci kódování proteinu mRNA nebo nekódující RNA. Tento „smysl“ nebo „kódující“ vlákno běží mezi 5 „a 3“ směr kde čísla odkazují na atomy uhlíku páteře ribózový cukr. The otevřený čtecí rámec (ORF) genu je proto obvykle reprezentován jako šipka označující směr, ve kterém je čten sense řetězec.[7]
Regulační sekvence jsou umístěny na koncích genů. Tyto oblasti sekvence mohou být buď vedle přepsané oblasti ( promotér ) nebo oddělené mnoha kilobázemi (zesilovače a tlumiče ).[8] Promotor je umístěn na 5 'konci genu a je složen ze základní promotorové sekvence a proximální promotorové sekvence. Jádrový promotor označuje počáteční místo pro transkripci vazbou RNA polymerázy a dalších proteinů nezbytných pro kopírování DNA do RNA. Oblast proximálního promotoru se váže transkripční faktory které modifikují afinitu promotoru jádra pro RNA polymerázu.[9][10] Geny mohou být regulovány více sekvencemi zesilovače a tlumiče, které dále modifikují aktivitu promotorů vazbou aktivátor nebo represor bílkoviny.[11][12] Zesilovače a tlumiče mohou být vzdáleny od genu vzdálené mnoho tisíc párů bází. Vazba různých transkripčních faktorů proto reguluje rychlost iniciace transkripce v různých časech a v různých buňkách.[13]
Regulační prvky se mohou navzájem překrývat, přičemž část DNA je schopna interagovat s mnoha konkurenčními aktivátory a represory a také s RNA polymerázou. Například některé represorové proteiny se mohou vázat na promotor jádra, aby se zabránilo vazbě polymerázy.[14] U genů s více regulačními sekvencemi je rychlost transkripce produktem všech prvků dohromady.[15] Vazba aktivátorů a represorů na více regulačních sekvencí má kooperativní účinek na iniciaci transkripce.[16]
Ačkoli všechny organismy používají jak transkripční aktivátory, tak represory, říká se, že eukaryotické geny jsou „default off“, zatímco prokaryotické geny jsou „default on“.[5] Základní promotor eukaryotických genů obvykle vyžaduje další aktivaci promotorovými prvky, aby došlo k expresi. Základní promotor prokaryotických genů je naopak dostatečný pro silnou expresi a je regulován represory.[5]
![]() |
Další vrstva regulace nastává u genů kódujících proteiny poté, co byla mRNA zpracována, aby se připravila na translaci na protein. Pouze region mezi Start a stop kodony kódují konečný proteinový produkt. Bok po boku nepřeložené regiony (UTR) obsahují další regulační sekvence.[18] The 3 'UTR obsahuje a terminátor sekvence, která označuje koncový bod transkripce a uvolňuje RNA polymerázu.[19] The 5 ’UTR váže ribozom, který překládá oblast kódující protein do řetězce aminokyseliny že složit za vzniku konečného proteinového produktu. V případě genů pro nekódující RNA se RNA nepřekládá, ale místo toho záhyby být přímo funkční.[20][21]
Eukaryoty
Struktura eukaryotických genů zahrnuje rysy, které se nenacházejí u prokaryot. Většina z nich se týká post-transkripční modifikace z pre-mRNA k výrobě zralá mRNA připraven k překladu do proteinu. Eukaryotické geny mají obvykle více regulačních prvků pro řízení genové exprese ve srovnání s prokaryoty.[5] To platí zejména v mnohobuňečný eukaryoty, například lidé, kde se genová exprese mezi různými značně liší papírové kapesníky.[11]
Klíčovým rysem struktury eukaryotických genů je, že jejich přepisy jsou obvykle rozděleny na exon a intron regionech. Exonové oblasti jsou zachovány ve finále zralá mRNA molekula, zatímco intronové oblasti jsou spojen (vyříznuto) během post-transkripčního zpracování.[22] Ve skutečnosti mohou být intronové oblasti genu podstatně delší než exonové oblasti. Jakmile jsou spojeny dohromady, exony tvoří jednu souvislou oblast kódující protein a hranice sestřihu nejsou detekovatelné. Eukaryotické post-transkripční zpracování také přidává a 5 'čepice na začátek mRNA a polyadenosinový ocas na konec mRNA. Tato adice stabilizují mRNA a řídí ji doprava z jádro do cytoplazma, ačkoli žádný z těchto rysů není přímo zakódován ve struktuře genu.[18]
Prokaryotes
![]() |
Celková organizace prokaryotických genů se výrazně liší od organizace eukaryot. Nejviditelnějším rozdílem je, že prokaryotické ORF jsou často seskupeny do a polycistronický operon pod kontrolou sdílené sady regulačních sekvencí. Všechny tyto ORF jsou transkribovány na stejnou mRNA a jsou tedy společně regulovány a často slouží souvisejícím funkcím.[23][24] Každý ORF má obvykle svůj vlastní ribosomové vazebné místo (RBS), takže ribozomy současně překládají ORF na stejnou mRNA. Některé operony také zobrazují translační vazbu, kde jsou spojeny rychlosti translace více ORF v rámci operonu.[25] K tomu může dojít, když ribozom zůstane připojený na konci ORF a jednoduše se translokuje do dalšího bez nutnosti nového RBS.[26] Translační vazba je také pozorována, když translace ORF ovlivňuje přístupnost dalšího RBS prostřednictvím změn v sekundární struktuře RNA.[27] Mít více ORF na jedné mRNA je možné pouze u prokaryot, protože jejich transkripce a translace probíhají ve stejnou dobu a ve stejném subcelulárním umístění.[23][28]
The operátor sekvence vedle promotoru je hlavním regulačním prvkem u prokaryot. Represorové proteiny vázané na operátorovou sekvenci fyzicky blokují enzym RNA polymerázy a zabraňují transkripci.[29][30] Riboswitches jsou další důležitá regulační sekvence běžně přítomná v prokaryotických UTR. Tyto sekvence přepínají mezi alternativními sekundárními strukturami v RNA v závislosti na koncentraci klíče metabolity. Sekundární struktury pak buď blokují nebo odhalují důležité oblasti sekvence, jako jsou RBS. Introny jsou u prokaryot extrémně vzácné, a proto nehrají významnou roli v regulaci prokaryotických genů.[31]
Reference
Tento článek byl upraven z následujícího zdroje pod a CC BY 4.0 licence (2017 ) (zprávy recenzenta ): "Eukaryotická a prokaryotická genová struktura", WikiJournal of Medicine, 4 (1), 2017, doi:10.15347 / WJM / 2017.002, ISSN 2002-4436, Wikidata Q28867140
- ^ Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002). „Jak fungují genetické přepínače“. Molekulární biologie buňky (4. vyd.).
- ^ A b C Polyak, Kornelia; Meyerson, Matthew (2003). "Přehled: Genová struktura". Cancer Medicine (6. vyd.). BC Decker.
- ^ Werner, Finn; Grohmann, Dina (2011). "Vývoj multisubunitních RNA polymeráz ve třech doménách života". Příroda Recenze Mikrobiologie. 9 (2): 85–98. doi:10.1038 / nrmicro2507. ISSN 1740-1526. PMID 21233849.
- ^ Kozak, Marilyn (1999). "Zahájení překladu u prokaryot a eukaryot". Gen. 234 (2): 187–208. doi:10.1016 / S0378-1119 (99) 00210-3. ISSN 0378-1119. PMID 10395892.
- ^ A b C d Struhl, Kevin (1999). „Zásadně odlišná logika regulace genů u eukaryot a prokaryot“. Buňka. 98 (1): 1–4. doi:10.1016 / S0092-8674 (00) 80599-1. ISSN 0092-8674. PMID 10412974.
- ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002). Molekulární biologie buňky (Čtvrté vydání). New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
- ^ Lu, G. (2004). „Vector NTI, vyvážená sada sekvenční analýzy typu„ vše v jednom ““. Briefings in Bioinformatics. 5 (4): 378–88. doi:10.1093 / bib / 5.4.378. ISSN 1467-5463. PMID 15606974.
- ^ Wiper-Bergeron, Nadine; Skerjanc, Ilona S. (2009). Transkripce a kontrola genové exprese. Humana Press. 33–49. doi:10.1007/978-1-59745-440-7_2. ISBN 978-1-59745-440-7.
- ^ Thomas, Mary C .; Chiang, Cheng-Ming (2008). "Obecné transkripční stroje a obecné kofaktory". Kritické recenze v biochemii a molekulární biologii. 41 (3): 105–78. CiteSeerX 10.1.1.376.5724. doi:10.1080/10409230600648736. ISSN 1040-9238. PMID 16858867.
- ^ Juven-Gershon, Tamar; Hsu, Jer-Yuan; Theisen, Joshua WM; Kadonaga, James T (2008). „Základní promotor RNA polymerázy II - brána k transkripci“. Současný názor na buněčnou biologii. 20 (3): 253–59. doi:10.1016 / j.ceb.2008.03.003. ISSN 0955-0674. PMC 2586601. PMID 18436437.
- ^ A b Maston, Glenn A .; Evans, Sara K .; Green, Michael R. (2006). "Transkripční regulační prvky v lidském genomu". Roční přehled genomiky a lidské genetiky. 7 (1): 29–59. doi:10.1146 / annurev.genom.7.080505.115623. ISSN 1527-8204. PMID 16719718. S2CID 12346247.
- ^ Pennacchio, L. A .; Bickmore, W .; Dean, A .; Nobrega, M. A .; Bejerano, G. (2013). „Enhancers: Five essential questions“. Genetika hodnocení přírody. 14 (4): 288–95. doi:10.1038 / nrg3458. PMC 4445073. PMID 23503198.
- ^ Maston, G. A .; Evans, S.K .; Green, M. R. (2006). "Transkripční regulační prvky v lidském genomu". Roční přehled genomiky a lidské genetiky. 7: 29–59. doi:10.1146 / annurev.genom.7.080505.115623. PMID 16719718. S2CID 12346247.
- ^ Ogbourne, Steven; Antalis, Toni M. (1998). „Kontrola transkripce a role tlumičů při regulaci transkripce u eukaryot“. Biochemical Journal. 331 (1): 1–14. doi:10.1042 / bj3310001. ISSN 0264-6021. PMC 1219314. PMID 9512455.
- ^ Buchler, N.E .; Gerland, U .; Hwa, T. (2003). „Na schématech kombinatorické transkripční logiky“. Sborník Národní akademie věd. 100 (9): 5136–41. Bibcode:2003PNAS..100.5136B. doi:10.1073 / pnas.0930314100. ISSN 0027-8424. PMC 404558. PMID 12702751.
- ^ Kazemian, M .; Pham, H .; Wolfe, S. A .; Brodsky, M. H .; Sinha, S. (11. července 2013). „Rozšířené důkazy o kooperativní vazbě DNA transkripčními faktory ve vývoji Drosophila“. Výzkum nukleových kyselin. 41 (17): 8237–52. doi:10.1093 / nar / gkt598. PMC 3783179. PMID 23847101.
- ^ A b Shafee, Thomas; Lowe, Rohan (2017). "Eukaryotická a prokaryotická genová struktura". WikiJournal of Medicine. 4 (1). doi:10.15347 / wjm / 2017.002. ISSN 2002-4436.
- ^ A b Guhaniyogi, Jayita; Brewer, Gary (2001). "Regulace stability mRNA v buňkách savců". Gen. 265 (1–2): 11–23. doi:10.1016 / S0378-1119 (01) 00350-X. ISSN 0378-1119. PMID 11255003.
- ^ Kuehner, Jason N .; Pearson, Erika L .; Moore, Claire (2011). „Rozluštění prostředků do konce: ukončení transkripce RNA polymerázy II“. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 12 (5): 283–94. doi:10.1038 / nrm3098. ISSN 1471-0072. PMC 6995273. PMID 21487437.
- ^ Mattick, J. S. (2006). „Nekódující RNA“. Lidská molekulární genetika. 15 (90001): R17 – R29. doi:10,1093 / hmg / ddl046. ISSN 0964-6906. PMID 16651366.
- ^ Palazzo, Alexander F .; Lee, Eliza S. (2015). „Nekódující RNA: co je funkční a co je haraburdí?“. Frontiers in Genetics. 6: 2. doi:10.3389 / fgene.2015.00002. ISSN 1664-8021. PMC 4306305. PMID 25674102.
- ^ Matera, A. Gregory; Wang, Zefeng (2014). „Den v životě spliceosomu“. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 15 (2): 108–21. doi:10.1038 / nrm3742. ISSN 1471-0072. PMC 4060434. PMID 24452469.
- ^ A b Salgado, H .; Moreno-Hagelsieb, G .; Smith, T .; Collado-Vides, J. (2000). „Operony v Escherichia coli: genomické analýzy a předpovědi“. Sborník Národní akademie věd. 97 (12): 6652–57. Bibcode:2000PNAS ... 97.6652S. doi:10.1073 / pnas.110147297. PMC 18690. PMID 10823905.
- ^ Jacob, F .; Monod, J. (01.06.1961). "Genetické regulační mechanismy při syntéze proteinů". Journal of Molecular Biology. 3 (3): 318–56. doi:10.1016 / s0022-2836 (61) 80072-7. ISSN 0022-2836. PMID 13718526.
- ^ Tian, Tian; Salis, Howard M. (2015). „Prediktivní biofyzikální model translační vazby ke koordinaci a kontrole exprese proteinu v bakteriálních operonech“. Výzkum nukleových kyselin. 43 (14): 7137–51. doi:10.1093 / nar / gkv635. ISSN 0305-1048. PMC 4538824. PMID 26117546.
- ^ Schümperli, Daniel; McKenney, Keith; Sobieski, Donna A .; Rosenberg, Martin (1982). „Translační vazba na intercistronické hranici galaktózového operonu Escherichia coli“. Buňka. 30 (3): 865–71. doi:10.1016/0092-8674(82)90291-4. ISSN 0092-8674. PMID 6754091.
- ^ Levin-Karp, Ayelet; Barenholz, Uri; Bareia, Tasneem; Dayagi, Michal; Zelcbuch, Lior; Antonovský, Niv; Noor, Elad; Milo, Ron (2013). "Kvantifikace translační vazby u syntetických operonů E. coli pomocí modulace RBS a fluorescenčních reportérů". ACS Syntetická biologie. 2 (6): 327–36. doi:10.1021 / sb400002n. ISSN 2161-5063. PMID 23654261. S2CID 63692.
- ^ Lewis, Mitchell (červen 2005). „Lac represor“. Zahrnuje biologie Rendus. 328 (6): 521–48. doi:10.1016 / j.crvi.2005.04.004. PMID 15950160.
- ^ McClure, WR (1985). "Mechanismus a řízení iniciace transkripce u prokaryot". Roční přehled biochemie. 54 (1): 171–204. doi:10.1146 / annurev.bi.54.070185.001131. ISSN 0066-4154. PMID 3896120.
- ^ Bell, Charles E; Lewis, Mitchell (2001). „Lac represor: druhá generace strukturálních a funkčních studií“. Aktuální názor na strukturní biologii. 11 (1): 19–25. doi:10.1016 / S0959-440X (00) 00180-9. ISSN 0959-440X. PMID 11179887.
- ^ Rodríguez-Trelles, Francisco; Tarrío, Rosa; Ayala, Francisco J. (2006). "Počátky a vývoj spliceosomálních intronů". Výroční přehled genetiky. 40 (1): 47–76. doi:10.1146 / annurev.genet.40.110405.090625. ISSN 0066-4197. PMID 17094737.
externí odkazy
- GSDS - Server pro zobrazení struktury genů