Strukturelt gen - Structural gene
Et strukturgen er et gen, der koder for ethvert andet RNA eller proteinprodukt end en regulatorisk faktor (dvs. regulatorisk protein ). Et udtryk afledt af lac operon , strukturelle gener betragtes typisk som dem, der indeholder sekvenser af DNA svarende til aminosyrerne i et protein, der vil blive produceret, så længe proteinet ikke fungerer til at regulere genekspression. Strukturelle genprodukter omfatter enzymer og strukturelle proteiner. Også kodet af strukturelle gener er ikke-kodende RNA'er, såsom rRNA'er og tRNA'er (men eksklusive eventuelle regulatoriske miRNA'er og siRNA'er ).
Placering i genomet
I prokaryoter er strukturelle gener med beslægtet funktion typisk ved siden af hinanden på en enkelt DNA -streng og danner en operon . Dette tillader enklere regulering af genekspression, da en enkelt regulatorisk faktor kan påvirke transkription af alle associerede gener. Dette illustreres bedst ved den velstuderede lac operon, hvor tre strukturelle gener ( lacZ , lacY og lacA ) alle er reguleret af en enkelt promotor og en enkelt operator. Prokaryote strukturelle gener transkriberes til et polycistronisk mRNA og translateres efterfølgende.
I eukaryoter placeres strukturelle gener ikke sekventielt. Hvert gen er i stedet sammensat af kodende exoner og indskudte ikke-kodende introner . Regulerende sekvenser findes typisk i ikke-kodende regioner opstrøms og nedstrøms for genet. Strukturelle gen -mRNA'er skal splejses før translation for at fjerne introniske sekvenser. Dette egner sig igen til det eukaryote fænomen alternativ splejsning , hvor et enkelt mRNA fra et enkelt strukturgen kan producere flere forskellige proteiner baseret på hvilke exoner er inkluderet. På trods af kompleksiteten i denne proces anslås det, at op til 94% af menneskelige gener er splejset på en eller anden måde. Desuden forekommer forskellige splejsningsmønstre i forskellige vævstyper.
En undtagelse fra dette layout i eukaryoter er gener for histonproteiner, som helt mangler introner. Også adskilte er rDNA -klyngerne af strukturelle gener, hvor 28S, 5.8S og 18S sekvenser er tilstødende, adskilt af korte internt transkriberede afstandsstykker, og ligeledes forekommer 45S rDNA fem forskellige steder på genomet, men er grupperet i tilstødende gentagelser. I eubakterier er disse gener organiseret i operoner. I arkebakterier er disse gener imidlertid ikke-tilstødende og udviser ingen binding.
Rolle i menneskelig sygdom
Identifikationen af det genetiske grundlag for en sygdoms årsagsmiddel kan være en vigtig komponent i forståelsen af dens virkninger og spredning. Placering og indhold af strukturelle gener kan belyse udviklingen af virulens samt give nødvendige oplysninger til behandling. Ligeledes forståelse af de specifikke ændringer i strukturelle gensekvenser, der ligger til grund for en gevinst eller tab af virulens, hjælper med at forstå den mekanisme, hvormed sygdomme påvirker deres værter.
For eksempel viste det sig, at Yersinia pestis ( bubonic pest ) havde flere virulens- og inflammationsrelaterede strukturelle gener på plasmider. På samme måde blev det strukturelle gen, der var ansvarlig for stivkrampe, bestemt til også at blive båret på et plasmid. Difteri er forårsaget af en bakterie, men først efter at bakterien er blevet inficeret af en bakteriofag, der bærer strukturens gener for toksinet.
I Herpes simplex -virus blev den strukturelle gensekvens, der var ansvarlig for virulens, fundet to steder i genomet på trods af, at kun et sted faktisk producerede det virale genprodukt. Dette blev antaget til at tjene som en potentiel mekanisme for stammer til at genvinde virulens, hvis de går tabt gennem mutation.
At forstå de specifikke ændringer i strukturelle gener, der ligger til grund for en gevinst eller tab af virulens, er et nødvendigt skridt i dannelsen af specifikke behandlinger samt undersøgelse af mulige medicinske anvendelser af toksiner.
Filogenetik
Allerede tilbage i 1974 blev DNA -sekvenslighed anerkendt som et værdifuldt redskab til at bestemme forhold mellem taxaer. Strukturelle gener generelt er mere stærkt bevarede på grund af funktionelle begrænsninger, og kan derfor vise sig nyttige ved undersøgelser af mere forskellige taxaer. Originale analyser berigede prøver til strukturelle gener via hybridisering til mRNA.
Nyere fylogenetiske tilgange fokuserede på strukturelle gener med kendt funktion, bevaret i varierende grad. rRNA -sekvenser hyppige mål, da de er bevaret i alle arter. Mikrobiologi har specifikt målrettet 16S -genet for at bestemme forskelle i artsniveau. I taxaer af højere orden betragtes COI nu som "livets stregkode" og anvendes til de fleste biologiske identifikationer.
Debat
På trods af den udbredte klassificering af gener som enten strukturelle eller regulerende, er disse kategorier ikke en absolut division. Nylige genetiske opdagelser sætter spørgsmålstegn ved sondringen mellem regulatoriske og strukturelle gener.
Sondringen mellem regulatoriske og strukturelle gener kan tilskrives det originale arbejde fra 1959 om Lac operonproteinekspression. I dette tilfælde blev der påvist et enkelt regulatorisk protein, der påvirkede transkriptionen af de andre proteiner, der nu vides at komponere Lac -operonen. Fra dette tidspunkt fremad blev de to typer kodende sekvenser adskilt.
Stigende opdagelser af genregulering tyder imidlertid på større kompleksitet. Strukturel genekspression reguleres af mange faktorer, herunder epigenetik (f.eks. Methylering), RNAi og mere. Regulerende og strukturelle gener kan epigenetisk reguleres identisk, så ikke al regulering er kodet af "regulerende gener".
Der er også eksempler på proteiner, der ikke decideret passer til nogen af kategorierne, f.eks. Chaperonproteiner . Disse proteiner hjælper med at folde andre proteiner, en tilsyneladende regulerende rolle. Alligevel hjælper de samme proteiner også i bevægelsen af deres chaperonerede proteiner hen over membraner og har nu været impliceret i immunresponser (se Hsp60 ) og i den apoptotiske vej (se Hsp70 ).
For nylig viste det sig, at mikroRNA'er blev produceret fra de interne transkriberede afstandsstykker i rRNA -gener. Således er en intern komponent i et strukturgen i virkeligheden regulatorisk. Bindingssteder for mikroRNA'er blev også påvist inden for kodende sekvenser af gener. Typisk er interfererende RNA'er målrettet mod 3'UTR, men inklusion af bindingssteder i selve proteinets sekvens gør det muligt for transkripterne af disse proteiner effektivt at regulere mikroRNA'erne i cellen. Denne interaktion viste sig at have en effekt på ekspression, og således indeholder et strukturelt gen en regulatorisk komponent.
