Основні особливості геному вірусів і прокаріотів

Дослідження організації геному неклітинних форм життя (віруси, ві- роїди тощо) та різних груп організмів, а також закономірностей функціо­нування генів має теоретичне та важливе практичне значення. Зокрема ці знання вчені з успіхом використовують у селекції організмів, біотехнології тощо.

Які особливості організації геному вірусів?

Досить детально вивчений геном одного з бактеріофагів - фХ-174. Його кільцева молекула ДНК містить лише 10 генів. Така незначна кількість генів компенсується тим, що спадкова інформація з одних і тих само генів може зчитуватись у різний спосіб. Наприклад:

АУГ ГАЦ_ЦГУ_ААЦ_ЦГГ_УАА - один варіант зчитування спадко­вої інформації

А УГГ АЦЦ ГУА_АДЦ_ГГУ_АА - інший варіант зчитування спадкової інформації

Завдяки тому, що межі генів можуть перекриватись своїми кінцям^ забезпечується компактність зберігання спадкової інформації. В еуфрі₀. тів це явище спостерігають дуже рідко.

Запам'ятайте: невелика кількість ДНК у вірусів забезпечує зберіган­ня відносно істотної кількості спадкової інформації.

Гени вірусів кодують різні білки, зокрема ферменти» які забезпечують процеси подвоєння їхньої нуклеїнової кислоти. Серед білків є регуляторні білки, які впливають на процеси обміну речовин клітини-хазяїна, змушу, ючи п синтезувати вірусні білки та білки, що забезпечують розчинення оболонки клітини-хазяїна. У бактеріофага-р до складу молекули ДНК та­кож входять гени, які впливають на процеси транскрипції. Вони пригні­чують або стимулюють активність інших генів.

Чим характеризується спадковий матеріал прокаріотів?

Геном клітин прокаріотів містить значну кількість ДНК і, відповідно, більше генів порівняно з вірусами. Наприклад, у бактерії кишкової палички є понад 4100 генів, які кодують білкові молекули, та близько 120 генів, що коду­ють молекули РНК. Гени в ДНК розмежовані міжгенними ділянками. Значна частина структурних генів кишкової палички утворює групи. На кожній групі синтезується одна молекула ІРНК, що кодує кілька білків. Ці білки бе­руть участь у спряжених біохімічних процесах (наприклад, забезпечують синтез певної сполуки). Крім того, ДНК кишкової палички містить велику кількість регуляторних генів, які впливають на активність структурних. Запам’ятайте: серед структурних генів прокаріотів та еукаріотів є три основні групи. Гени першої кодують структуру молекул білків, другої - тРНК, третьої - рРНК. Молекули ІРНК синтезуються лише на одному з ланцюгів молекули ДНК. При цьому послідовність нуклеотидів моле­кули ІРНК комплементарна послідовності ланцюга ДНК, на якому вона синтезована, і збігається за послідовністю нуклеотидів з іншим ланцю­гом, який називають кодуючим, або змістовним.

АУГ_ГЦГ_АУЦ _ЦГГ - ділянка молекули ІРНК ТАЦ_ЦГЦ_ТАГ_ГЦЦ - ділянка молекули ДНК, на якій здійснюєть­ся процес транскрипції

АТГ_ГЦГ_АТЦ_ЦГГ - другий ланцюг молекули ДНК - кодуючий, або змістовний

У багатьох видів прокаріотів геном представлений єдиною молекулою ДНК, яка зосереджена у ядерній зоні клітини - нуклеоїді. Тому їм прита­манний гаплоїдний набір генів і рецесивні алелі можуть проявлятися у фенотипі. Крім того, у цитоплазмі бактеріальних клітин є плазміди, або і позахромосомні фактори спадковості. Це невеликі кільцеві молекули ДНК, до складу яких входять кілька генів.

Як здійснюється регуляція експресії геиів?

Структурні гени не можуть бути постійно в активному стані, тому їхня діяльність то активується, то пригнічується. Але у прокаріотів, в яких ви­сокий рівень активності обміну речовин, більшість генів постійно активні: на них синтезуються молекули ІРНК, або РНК інших типів. Це дає змогу

Лрокаріотичній клітині швидко реагувати на зміни в навколишньому се­редовищі-

Процес, за якого спадкова інформація, закодована у вигляді послідов­ності нуклеотидів молекули ДНК, втілюється у функціональний продукт - молекулу білка або РНК певного типу, називається експресія (від лат. екс- пресіо - вираження) генів.

Експресія генів може регулюватись під час транскрипції, трансляції або остаточних змін у структурі білка чи РНК, завдяки чому ці молекули стають функціонально активні.

Клітини прокаріотів та еукаріотів здатні ефективно регулювати експре­сію генів. Так, за певних умов деякі гени залишаються неактивними, тоді як активність інших зростає або зменшується. Зміни умов середовища мо­жуть спричинити активацію неактивних та пригнічення активних генів.

Механізми регуляції активності генів різноманітні. Насамперед вони мо­жуть реалізуватися на рівні синтезу молекул РНК. Зокрема, така регуляція може здійснюватись або за допомогою білків, одні з яких пригнічують тран­скрипцію, тоді як інші необхідні для початку цього процесу. У першому ви­падку процеси транскрипції розпочинаються лише тоді, коли свої власти­вості втрачає білок-пригнічувач (депресор). В іншому - процеси транскрипції тривають, доки не втрачають своєї активності білки-актнватори.

Білкові молекули, які здатні впливати на експресію генів, спочатку зв’язуються з промотором (від англ. премоуте - той, який просуває, сприяє) - послідовністю нуклеотидів, розташованою перед кодуючою частиною гена. Кожний ген або група генів може мати один або кілька промоторів, регуляція кожного з яких здійснюється окремо.

На малюнку 13.1 зображено ділянку бактеріальної ДНК. До її складу входять три структурні гени (позначені літерами А, Б, В). Вони кодують структуру ферментів, що беруть участь у процесах розщеплення молочно­го цукру - лактози (пригадайте, до якого класу вуглеводів належить ця сполука). Ця функціонально єдина група генів має один спільний промо­тор (Г), який оточують дві регуляторні ділянки нуклеотидів (Д, Б). У разі відсутності молочного цукру за участі цих двох ділянок нуклеотидів та особливого регуляторного білка утворюється петля ДНК (Ж). Структурні гени стають неактивними, оскільки з промотором, що опинився всередині петлі, не можуть зв’язатися ферменти, які забезпечують синтез іРНК. Піс­ля того як конпентпапія молочного шпсоу апосгає. мпгллоїшіі біллі втрачає зв’язок з ДНК, петля зникає і промотор активується структуру І гени знову набувають здатності забезпечувати синтез ферментів.