Прокариотические и вирусные геномы. Схему организации одного из самых простых (и первого из изученных)
геномов? генома бактериофага ?Х-174 (следует читать? фи-десять?)? показано на рис. 4.3. Геном построен чрезвычайно? Экономно?: Десять генов (один из них дает два разных транскрипты) занимают практически всю циркулярную ДНК бактериофага. Более того, несколько генов перекрываются за счет использования различных рамок считывания: гены А и С и С и D перекрываются своими концами, гены B, K и E полностью находятся в рамках других генов, три гены? А, С и K? используют все три возможные рамки считывания на одном участке ДНК (конечно, в данном случае все три рамки являются открытыми). Явление перекрытия генов за счет использования различных рамок считывания наблюдается также для ряда других бактериофагов, однако иногда встречается в эукариот. Всего геномы вирусов и бактериофагов построены по подобным экономным принципу сравнительно небольшое количество генов, минимальное количество межгенных ДНК.
В геноме прокариотической клетки количество ДНК и генов значительно возрастает, но сохраняется принцип экономичности по использованию большинства последовательностей для кодирования генетической информации. Например, геном Escherichia coli представлен одной циркулярной молекулой ДНК (бактериальной хромосомой) длиной 4,6 млн пар оснований. Около 90% этой ДНК приходится на кодирующие последовательности ~ 4100 белковых генов и ~ 120 генов РНК, не транслируется. Средний размер гена состоит из 950 пар оснований, средняя длина межгенных участка? 118 пар оснований. Однако, межгенных зоны имеют довольно неравномерно рас-деление по длине, которая варьирует от 0 до 1 тыс. 730 пар оснований. реализует характерен для бактерий (и только для них) оперонний принцип организации генетического материала. Оперона представляет собой класс тер так называемых структурных генов, на которых синтезируется одна моле-кула мРНК, которая имеет несколько (на каждый структурный ген) последовательных (не перекрываются) открытых рамок считывания для трансляции соответствующих белков (см. примеры организации и регуляции оперона в главе 5). В рамках оперона сгруппированы структурные гены, отвечающие за синтез белков, вовлеченных в одной цепочки биохимических превращений (ферменты синтеза или деградации определенной соединения). Кроме структурных генов оперон имеет регуляторные участки, за счет которых осуществляется регуляция транскрипции оперона как целого. В геноме E. coli содержится ~ 650 таких единиц транскрипции.
Характерной особенностью бактерий является наличие в клетке, рядом с бактериальной хромосомой, небольших автономных элементов генома? Плазмид. Плазмида является циркулярной молекулой ДНК (типичный размер ~ 3 тыс. пар оснований), которая содержит килькгенив и реплицируется независимо от бактериальной хромосомы. Плазмиды широко используются как удобный инструмент молекулярно-биологических исследований (см. раздел 11).
Круговая ДНК бактериальной хромосомы существует в клетке в виде комплекса с белками. Это взаимодействие является достаточно динамичной, и практически весь бактериальный геном (что принципиально отличает его от эукариотического генома, см. Ниже) находится в потенциально транскрипцийноактивному состоянии: гены и оперона являются объектами быстрой оперативной регуляции в ответ на изменение внешних условий.