Strukturální gen - Structural gene

A strukturní gen je gen který kóduje jakýkoli produkt RNA nebo proteinu jiný než regulační faktor (tj. regulační protein ). Termín odvozený z lac operon, strukturální geny jsou typicky považovány za ty, které obsahují sekvence DNA odpovídající aminokyselinám proteinu, který bude produkován, pokud uvedený protein nebude regulovat genovou expresi. Mezi strukturní genové produkty patří enzymy a strukturní proteiny. Strukturálními geny jsou také kódovány nekódující RNA, jako např rRNA a tRNA (ale s vyloučením regulačních opatření miRNA a siRNA ).

Umístění v genomu

v prokaryoty, strukturní geny příbuzné funkce jsou typicky sousedící jeden s druhým na jednom řetězci DNA, tvořící operon. To umožňuje jednodušší regulaci genové exprese, protože jediný regulační faktor může ovlivnit transkripci všech souvisejících genů. To nejlépe ilustrují dobře studovaní lac operon, ve kterém tři strukturní geny (lacZ, krajkový, a lacA ) jsou regulovány jedním promotérem a jedním operátorem. Prokaryotické strukturní geny jsou transkribovány do polycistronické mRNA a následně translatovány.[1]

v eukaryoty, strukturní geny nejsou postupně umístěny. Každý gen je místo toho složen z kódování exony a rozptýlené nekódování introny. Regulační sekvence se obvykle nacházejí v nekódujících oblastech před a za genem. Strukturální genové mRNA musí být před translací spojeny, aby se odstranily intronové sekvence. To se zase hodí k eukaryotickému fenoménu alternativní sestřih, ve kterém jediná mRNA z jediného strukturního genu může produkovat několik různých proteinů, na jejichž základě jsou zahrnuty exony. Navzdory složitosti tohoto procesu se odhaduje, že až 94% lidských genů je nějakým způsobem spojeno.[2] Kromě toho se u různých typů tkání vyskytují různé vzory sestřihu.[3]

Výjimkou z tohoto uspořádání u eukaryot jsou geny pro histonové proteiny, kterým zcela chybí introny.[4] Zřetelné jsou také rDNA shluky strukturních genů, ve kterých sousedí sekvence 28S, 5,8S a 18S, oddělené krátkými interně transkribovanými spacery, a podobně se 45S rDNA vyskytuje na pěti odlišných místech v genomu, ale je shlukována do sousedních repetic. U eubakterií jsou tyto geny organizovány do operonů. U archebakterií však tyto geny nesousedí a nevykazují žádnou vazbu.[5]

Role v nemoci člověka

Identifikace genetického základu původce choroby může být důležitou součástí porozumění jejím účinkům a šíření. Umístění a obsah strukturních genů může objasnit vývoj virulence,[6] a také poskytnout potřebné informace k léčbě. Podobně porozumění specifickým změnám v sekvencích strukturních genů, které jsou základem zisku nebo ztráty virulence, pomáhá pochopit mechanismus, kterým choroby ovlivňují jejich hostitele.[7]

Například, Yersinia pestis (dále jen dýmějový mor ) bylo zjištěno, že nese několik virulencí a se záněty strukturálních genů na plazmidech.[8] Stejně tak strukturální gen zodpovědný za tetanus Bylo zjištěno, že je nesen také na plazmidu.[9] Záškrt je způsobena bakterií, ale teprve poté, co byla tato bakterie infikována bakteriofágem nesoucím strukturní geny pro toxin.[10]

v Virus herpes simplex, sekvence strukturního genu odpovědná za virulenci byla nalezena na dvou místech v genomu, přestože pouze jedno místo ve skutečnosti produkovalo produkt virového genu. Předpokládalo se, že to bude sloužit jako potenciální mechanismus pro znovuzískání virulence, pokud dojde ke ztrátě mutací.[11]

Pochopení specifických změn ve strukturních genech, které jsou základem pro získání nebo ztrátu virulence, je nezbytným krokem při tvorbě specifických léčebných postupů a také při studiu možných medicínských použití toxinů.[10]

Fylogenetika

Už v roce 1974 byla podobnost sekvence DNA uznávána jako cenný nástroj pro určování vztahů mezi taxony.[12] Strukturální geny jsou obecně více vysoce konzervované kvůli funkčnímu omezení, a tak se mohou ukázat jako užitečné při zkoumání různorodějších taxonů. Původní analýzy obohatily vzorky strukturních genů hybridizací s mRNA.[13]

Novější fylogenetické přístupy se zaměřily na strukturní geny známé funkce, konzervované v různé míře. Sekvence rRNA jsou častým cílem, protože jsou konzervovány u všech druhů.[14] Mikrobiologie se specificky zaměřila na gen 16S, aby určila rozdíly na úrovni druhů.[15] U taxonů vyššího řádu je COI nyní považována za „čárový kód života“ a používá se pro většinu biologických identifikací.[16]

Rozprava

Navzdory rozšířené klasifikaci genů jako strukturálních nebo regulačních nejsou tyto kategorie absolutním rozdělením. Nedávné genetické objevy zpochybňují rozdíl mezi regulačními a strukturálními geny.[17]

Rozdíl mezi regulačními a strukturálními geny lze připsat původní práci z roku 1959 o expresi Lac operonového proteinu.[18] V tomto případě byl detekován jediný regulační protein, který ovlivnil transkripci ostatních proteinů, o nichž je nyní známo, že tvoří Lac operon. Od tohoto bodu byly dva typy kódujících sekvencí odděleny.[18]

Rostoucí objavy regulace genů však naznačují větší složitost. Exprese strukturního genu je regulována mnoha faktory, včetně epigenetika (např. methylace), RNAi a další. Regulační a strukturní geny lze epigeneticky regulovat identicky, takže ne každá regulace je kódována „regulačními geny“.[17]

Existují také příklady proteinů, které rozhodně nespadají do žádné kategorie, jako např chaperonové proteiny. Tyto proteiny pomáhají při skládání jiných proteinů, což je zdánlivě regulační role.[19][20] Přesto tyto stejné proteiny také pomáhají při pohybu jejich chaperonovaných proteinů přes membrány,[21] a nyní se účastní imunitních odpovědí (viz Hsp60 ) [22] a v apoptotické cestě (viz Hsp70 ).[23]

Nedávno bylo zjištěno, že mikroRNA jsou produkovány z interních transkribovaných spacerů genů rRNA.[24] Vnitřní složka strukturního genu je tedy ve skutečnosti regulační. Vazebná místa pro mikroRNA byla také detekována v kódujících sekvencích genů. Typicky interferující RNA cílí na 3’UTR, ale zahrnutí vazebných míst do sekvence samotného proteinu umožňuje transkriptům těchto proteinů účinně regulovat mikroRNA v buňce. Ukázalo se, že tato interakce má vliv na expresi, a tak strukturální gen opět obsahuje regulační složku.[25]

Reference

  1. ^ Müller-Hill, Benno (01.01.1996). Lac Operon: Krátká historie genetického paradigmatu. Walter de Gruyter. ISBN  9783110148305.
  2. ^ Wang, Eric T .; Sandberg, Rickard; Luo, Shujun; Khrebtukova, Irina; Zhang, Lu; Mayr, Christine; Kingsmore, Stephen F .; Schroth, Gary P .; Burge, Christopher B. (2008). „Alternativní regulace izoformy v transkriptomech lidské tkáně“. Příroda. 456 (7221): 470–476. doi:10.1038 / nature07509. PMC  2593745. PMID  18978772.
  3. ^ Yeo, Gene; Holste, Dirk; Kreiman, Gabriel; Burge, Christopher B. (01.01.2004). „Variace alternativního sestřihu napříč lidskými tkáněmi“. Genome Biology. 5 (10): R74. doi:10.1186 / gb-2004-5-10-r74. ISSN  1474-760X. PMC  545594. PMID  15461793.
  4. ^ Makałowski, W. (2001-01-01). "Struktura a organizace lidského genomu". Acta Biochimica Polonica. 48 (3): 587–598. ISSN  0001-527X. PMID  11833767.
  5. ^ Tu, J; Zillig, W (1982-11-25). "Organizace strukturních genů rRNA v archaebacterium Thermoplasma acidophilum". Výzkum nukleových kyselin. 10 (22): 7231–7245. doi:10.1093 / nar / 10.22.7231. ISSN  0305-1048. PMC  327000. PMID  7155894.
  6. ^ Sreevatsan, Srinand; Pan, Xi; Stockbauer, Kathryn E .; Connell, Nancy D .; Kreiswirth, Barry N .; Whittam, Thomas S .; Musser, James M. (09.09.1997). „Omezený polymorfismus strukturních genů v komplexu Mycobacterium tuberculosis naznačuje evolučně nedávné globální šíření“. Sborník Národní akademie věd. 94 (18): 9869–9874. doi:10.1073 / pnas.94.18.9869. ISSN  0027-8424. PMC  23284. PMID  9275218.
  7. ^ Maharaj, Payal D .; Anishchenko, Michael; Langevin, Stanley A .; Fang, Ying; Reisen, William K .; Brault, Aaron C. (01.01.2012). „Chiméry strukturního genu (prME) viru encefalitidy St Louis a viru západního Nilu vykazují in vitro cytopatické a růstové fenotypy pozměněné“. Journal of General Virology. 93 (1): 39–49. doi:10.1099 / vir.0.033159-0. PMC  3352334. PMID  21940408.
  8. ^ Brubaker, Robert R. (01.08.2007). "Jak strukturální genové produkty Yersinia pestis souvisejí s virulencí". Budoucí mikrobiologie. 2 (4): 377–385. doi: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 .; Garon, C. F. (1984-05-25). "Strukturální gen pro tetanový neurotoxin je na plazmidu". Věda. 224 (4651): 881–884. doi:10.1126 / science.6326263. ISSN  0036-8075. PMID  6326263.
  10. ^ A b Greenfield, L .; Bjorn, M. J .; Horn, G .; Fong, D .; Buck, G. A .; Collier, R. J .; Kaplan, D. A. (1983-11-01). "Nukleotidová sekvence strukturního genu pro difterický toxin nesená corynebacteriophage beta". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 80 (22): 6853–6857. doi:10.1073 / pnas.80.22.6853. ISSN  0027-8424. PMC  390084. PMID  6316330.
  11. ^ Knipe, David; Ruyechan, William; Honess, Robert; Roizman, Bernard (1979). „Molekulární genetika viru herpes simplex: Terminální sekvence složek L a S jsou povinně identické a tvoří součást strukturního genového mapování převážně v složce S“ (PDF). Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 76 (9): 4534–4538. doi:10.1073 / pnas.76.9.4534. PMC  411612. PMID  228300.
  12. ^ Moore, R. L. (01.01.1974). Reasociace nukleových kyselin jako vodítko pro genetickou příbuznost bakterií. Aktuální témata v mikrobiologii a imunologii. Moderní aspekty elektrochemie. 64. 105–128. doi: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 .; Britten, R. J. (08.07.1976). "Jednorázová DNA a vztahy strukturních genových sekvencí mezi čtyřmi druhy mořských ježků". Chromozom. 56 (3): 213–226. doi:10.1007 / bf00293186. ISSN  0009-5915. PMID  964102.
  14. ^ Pruesse, E .; Quast, C .; Knittel, K .; Fuchs, B. M .; Ludwig, W .; Peplies, J .; Glockner, F. O. (01.12.2007). „SILVA: komplexní online zdroj pro kvalitně zkontrolovaná a zarovnaná data sekvencí ribozomální RNA kompatibilní s ARB“. Výzkum nukleových kyselin. 35 (21): 7188–7196. doi:10,1093 / nar / gkm864. ISSN  0305-1048. PMC  2175337. PMID  17947321.
  15. ^ Chun, Jongsik; Lee, Jae-Hak; Jung, Yoonyoung; Kim, Myungjin; Kim, Seil; Kim, Byung Kwon; Lim, Young-Woon (01.01.2007). „EzTaxon: webový nástroj pro identifikaci prokaryot na základě genových sekvencí ribosomální RNA 16S“. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 57 (10): 2259–2261. doi:10.1099 / ijs.0.64915-0. PMID  17911292.
  16. ^ Hebert, Paul D. N .; Cywinska, Alina; Ball, Shelley L .; deWaard, Jeremy R. (02.02.2003). „Biologická identifikace pomocí čárových kódů DNA“. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 270 (1512): 313–321. doi:10.1098 / rspb.2002.2218. ISSN  0962-8452. PMC  1691236. PMID  12614582.
  17. ^ A b Piro, Rosario Michael (2011-03-29). "Jsou všechny geny regulační geny?". Biologie a filozofie. 26 (4): 595–602. doi:10.1007 / s10539-011-9251-9. ISSN  0169-3867.
  18. ^ A b Pardee, Arthur B .; Jacob, François; Monod, Jacques (01.06.1959). „Genetická kontrola a cytoplazmatická exprese„ indukovatelnosti “při syntéze β-galaktosidázy E. coli“. Journal of Molecular Biology. 1 (2): 165–178. doi:10.1016 / S0022-2836 (59) 80045-0.
  19. ^ Hendrick, J. P .; Hartl, F. U. (1995-12-01). "Role molekulárních chaperonů při skládání proteinů". FASEB Journal. 9 (15): 1559–1569. doi:10.1096 / fasebj.9.15.8529835. ISSN  0892-6638. PMID  8529835.
  20. ^ Saibil, Helen (01.10.2013). „Chaperonové stroje na skládání, rozkládání a rozkládání bílkovin“. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 14 (10): 630–642. doi:10.1038 / nrm3658. ISSN  1471-0072. PMC  4340576. PMID  24026055.
  21. ^ Koll, H .; Guiard, B .; Rassow, J .; Ostermann, J .; Horwich, A.L .; Neupert, W .; Hartl, F. U. (1992-03-20). "Antifoldingová aktivita importu proteinů párů hsp60 do mitochondriální matrice s exportem do mezimembránového prostoru" (PDF). Buňka. 68 (6): 1163–1175. doi:10.1016 / 0092-8674 (92) 90086-r. ISSN  0092-8674. PMID  1347713.
  22. ^ Hansen, Jens J .; Bross, Peter; Westergaard, Majken; Nielsen, Marit Nyholm; Eiberg, Hans; Børglum, Anders D .; Mogensen, Jens; Kristiansen, Karsten; Bolund, Lars (01.01.2003). „Genomická struktura genů lidského mitochondriálního chaperoninu: HSP60 a HSP10 jsou lokalizovány head to head na chromozomu 2 oddělené obousměrným promotorem“. Genetika člověka. 112 (1): 71–77. doi:10.1007 / s00439-002-0837-9. ISSN  0340-6717. PMID  12483302.
  23. ^ Cappello, Francesco; Di Stefano, Antonino; David, Sabrina; Rappa, Francesco; Anzalone, Rita; La Rocca, Giampiero; D'Anna, Silvestro E .; Magno, Francesca; Donner, Claudio F. (2006-11-15). „Down-regulace Hsp60 a Hsp10 předpovídá karcinogenezi bronchiálního epitelu u kuřáků s chronickou obstrukční plicní nemocí“. Rakovina. 107 (10): 2417–2424. doi:10.1002 / cncr.22265. ISSN  0008-543X. PMID  17048249.
  24. ^ Syn, Dong Ju; Kumar, Sandeep; Takabe, Wakako; Kim, Chan Woo; Ni, Chih-Wen; Alberts-Grill, Noah; Jang, In-Hwan; Kim, Sangok; Kim, Wankyu (18.12.2013). „Atypická mechanosenzitivní mikroRNA-712 odvozená z pre-ribozomální RNA indukuje endoteliální zánět a aterosklerózu“. Příroda komunikace. 4: 3000. doi:10.1038 / ncomms4000. ISSN  2041-1723. PMC  3923891. PMID  24346612.
  25. ^ Forman, Joshua J .; Coller, Hilary A. (2010-04-15). „Kód v kódu: microRNA cílí na kódující oblasti“. Buněčný cyklus. 9 (8): 1533–1541. doi:10,4161 / cc.9.8.11202. ISSN  1538-4101. PMC  2936675. PMID  20372064.

externí odkazy