Ген — это участок последовательности нуклеотидов, используемый в качестве матрицы для копирования в процессе транскрипции, и поэтому считается фундаментальной единицей наследственной информации, записанной в ДНК. Гены составляют лишь небольшую часть всей молекулы ДНК, расположенной в хромосоме. В кодировании белков задействованы только 1-2% нуклеотидов, а полный набор последовательностей, кодирующих белки, остается пока нерасшифрованным. Геном человека по расчетам состоит из 30 тыс. отдельных генов. Информация по кодированию белков, заключенная в отдельном гене, не является непрерывной, наоборот, она содержится в виде множества прерывистых участков, называемых экзонами. Между экзонами расположены варьирующие по длине фрагменты ДНК, называемые интронами. Функция нитронов до сих пор неизвестна. Вероятно, они несут какую-то регуляторную информацию, позволяющую контролировать экспрессию порядка 30 тыс. генов, кодирующих белки, и бессчетное количество других функциональных элементов, включая некодирующие гены и последовательности, детерминирующие динамику хромосом. Еще меньше известно о функциях примерно половины участков генома, состоящих из часто повторяющихся последовательностей или из некодирующих, нерегулярных участков ДНK.
Первым этапом передачи генетической информации является транскрипция (переписывание), при которой осуществляется перенос этой информации из ядра в цитоплазму, где происходит синтез белков. При этом для транскрипции с ДНК на РНК необходимо образование в ядре генетической матрицы, называемой матричной РНК (мРНК), или информационной PНK. Специфический фермент, РНК-полимераза, копирует одну из двух цепей ДНК (аитисмысловую), образуя комплементарную последовательность, которая является точной копией смысловой цепи. Структура РНК несколько отличается от структуры ДНК. В молекуле РНК одно из азотистых оснований (урацил) заменяет характерный для ДНK тимин, а вместо сахара дезоксирибозы в молекуле РНК содержится рибоза. Рибоза, в отличие от более стабильной дезоксирибозы, позволяет молекуле РНК легче деградировать. За счет этого свойства молекула РНК быстрее реагирует па изменения клеточных сигналов и быстрее передвигается в цитоплазме для осуществления синтеза белков.
Процесс трансформации гена в белок включает два основных этапа: транскрипцию информации с ДНК на РНК, проходящую в ядре, и трансляцию этой информации в белок, проходящую в цитоплазме. Это крайне сложный и тонко регулируемый процесс. Транскрипция начинается в ядре клетки при копировании генетической последовательности ДНK на мРНК. Одноцепочечная РНК с обоих концов подвергается модификации. На 5'-конце молекулы РНК присоединяется пуклеотидная структура, называемая cap («шапочка»), роль которой заключается в усилении трансляционной эффективности за счет улучшения связывания РНК с рибосомами. На З'-конце находится нуклеотид, который распознает обогащенную А/Т последовательность в некодируемом участке и укорачивает транскрипт на 20 п.н. Фермент, который добавляет последовательность из нескольких адениновых нуклеотидов с образованием полиаденилового (polyА) хвоста, стабилизирующего транскрипт, модифицирует вновь расщепившийся 3'-конец.
Затем образовавшийся транскрипт (мРНК) подвергается сплайсингу (процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей) для удаления нитронов. Это очень тонко регулируемый процесс, поскольку транскрипты, не подвергшиеся сплайсингу, крайне нестабильны и быстро удаляются из клетки. Сплайсинг является важнейшей контрольной точкой экспрессии генов. Он должен протекать с абсолютной точностью, поскольку деления или вставка одного нуклеотида в месте сплайсинга приведет к сдвигу рамки считывания при последующей трансляции РНК с помощью колона из 3 пар оснований (нуклеотидов). Значимость сплайсинга РНК окончательно не выяснена, однако очевидно, что этот процесс является крайне важным в регуляции экспрессии генов в силу широкой вариабельности интронной последовательности и неспособности транскриптов покинуть ядро клетки, пока не удалены все интроны.
Оказавшись в цитоплазме, мРНК выполняет роль матрицы для трансляции информации или синтеза белка. Трансляция происходит в макромолекулярных комплексах, состоящих из рибосом и похожих на сборочную конвейерную линию. Рибосомы прочитывают нуклеотидную последовательность, закодированную в мРНК и транслируют ее в аминокислотную последовательность; иными словами, код, зашифрованный в мРНK с помощью 4 оснований, транслируется в 20-амипокислотный белковый код. Этот генетический кол удивительно прост и присущ большинству живых организмов. Каждые 3 нуклеотида в молекуле РНК кодируют 1 аминокислоту, поэтому кодон представлен триплетом нуклеотидов. Различные сочетания 4 нуклеотидов РНК составляют 64 различных триплета (4x4x4) так, что любая из 20 аминокислот может быть закодирована более чем одним колоном. Один из триплетов, AUG, колирует метионин, т.е. аминокислоту, которая служит старт-сигналом биосинтеза любого белка. Три других триплета, UAA, UGA и UAG, программируют рибосому на завершение трансляции, поэтому их называют стоп-кодонами.
Для перевода информации, содержащейся в колоне, в аминокислоты необходима молекула-адаптор, способная декодировать мРНК; это так называемая транспортная РНК (тРНК). Каждая тРНК содержит уникальную последовательность из 3 оснований, или антиколон, что позволяет ей комплементарно соединиться с соответствующим колоном мРНК. Рибосомальные ферменты связывают соседние аминокислоты, которые при этом отделяются от тРНК и присоединяются к растущей аминокислотной цепи. Последовательность аминокислот в белке определяется очередностью (порядком) колонов на соответствующей mРНK. Процесс трансляции, т.е. перевод информации из ДНК, находящейся в ядре, в уникальную белковую структуру, завершается.
Поскольку генетический код для каждого биологического вида постоянен, определенные генетические последовательности человека могут быть перенесены в клетки бактерий, дрожжей, насекомых, где эти последовательности будут в точности воспроизведены и декодированы в РНК и затем в белок. Этот принцип лежит в основе технологии получения рекомбинантной ДНK, которую используют для получения рекомбинантных белков как в исследовательских, так и в терапевтических целях (например, для получения тканевого активатора плазминогена).
Процесс экспрессии генов подразумевает контроль и тонкую регуляцию множества этапов. В определенный момент времени в клетке экспрессируется лишь небольшое число генов. Одни гены конститутивны, т.е. постоянно экспрессируются в большинстве клеток; их обозначают как «служебные» или «организующие». Они необходимы для размножения клеток, производства энергии и осуществления функция выживания. Другие гены экспрессируются в зависимости от типа клеток (т.е. только в определенных клетках). Эти гены необходимы для осуществления специфических клеточных функций, например сократимости. Строгая регуляция экспрессии специфических генов определяет уникальность и функцию того или иного типа клетки. Еще одни гены индуцируются в ответ на стимулы окружающей клетку среды. В данном случае регуляция необходима для обеспечения сложных и динамичных процессов экспрессии тех генов, которые позволят организму адекватно реагировать на внутренние и внешние сигналы.
