Функциональные области внутри гена и регуляторные последовательности

Белок состоит из ограниченного количества аминокислот. Все они закодированы триплетами нуклеотидов одного гена. Это значит, что ген должен иметь какие-то границы. Начало и конец считывания информации. Но как определить эти начало и конец, если ген состоит только из последовательности нуклеиновой кислоты? Фактически это просто «беспорядочное» чередование мономеров в длинной молекуле!

Однако, все не так просто. Оказалось, что последовательность геномной ДНК буквально напичкана разного рода регуляторными последовательностями и сайтами. Эти сайты могут узнавать различные ферменты, осуществляющие с ДНК всевозможные манипуляции. Это молекулярное узнавание происходит по типу соединения молекулы белка с субстратом, которое происходит в активном центре (см. урок «Аминокислоты и белки»). В англоязычной литературе белки, способные узнавать конкретные последовательности нуклеиновых кислот называются сиквенс-специфическими (sequence — последовательность, англ.). Как известно из урока о биосинтезе белка, этот процесс делится на две крупные стадии: транскрипцию и трансляцию. В ходе транскрипции, на матрице геномной ДНК синтезируется небольшая молекула информационной РНК, для того, чтобы генетическую информацию можно было передать в цитоплазму на рибосомы, где и завершается синтез. Процесс транскрипции, то есть комплементарный синтез и-РНК на матрице ДНК, осуществляет фермент РНК-полимераза. Это фермент узнает регуляторную область гена, которая называется промотором. Промотор — это участок ДНК, предшествующий кодирующей последовательности гена. Он обычно состоит из двух или трех отдельных сайтов, протяженностью в несколько нуклеотидов. Обязательным компонентом практически всех промоторов является последовательность ТАТА (так называемый ТАТА-бокс).

Сам синтез, как уже говорилось, начинается с триплета ATG, кодирующего метионин. Именно он служит началом любой кодирующей последовательности (однако, не стоит думать, что все белки начинаются с метионина; в большинстве случаев начальные аминокислоты потом отделяются).

Также, в любом гене есть сайты терминации транскрипции, доходя до которых РНК-полимераза прекращает свою работу.

Но этими последовательностями регуляторные области генов не ограничиваются. Дело в том, что далеко не все гены организма работают все время (конститутивно). Большинство генов время от времени выключается, а потом снова начинает работу. Бывает даже так, что ген работает только на строго определенной стадии онтогенеза, или же в строго определенной ткани организма. Как же сделать так, чтобы ген то работал, а то не работал? Для этого тоже существуют специальные участки ДНК. В частности у многих генов есть так называемые операторные последовательности. С ними связываются белки-репрессоры, которые не дают полимеразе связываться с промотором и начинать синтез. Для того, чтобы репрессор диссоциировал от молекулы ДНК необходимо, чтобы к нему присоединился индуктор. Индуктор изменяет конформацию репрессора таким образом, что тот отсоединяется от последовательности нуклеотидов и дает возможность полимеразе присоединиться к промотору и начать синтез РНК.

Помимо регуляторных элементов, присущих практически каждому гену, и без которых работа гена невозможна, существуют также последовательности, способные изменять уровень экспрессии генов. То есть делать так, что информация с гена считывается чаще или реже. К таким последовательностям относятся энхансеры (to enhance — ускорять, увеличивать, англ.) и сайленсеры (silence — тишина, англ.) Эти последовательности могут находиться и на некотором отдалении от самих генов, но при этом оказывать влияние на их работу. Стоит также упомянуть и то, что подобные регуляторные элементы могут находиться и внутри интронов генов.