Organizacija genov v kromatinu

Organizacija genov v kromatinu

Uvod

Genski material evkariontskih celic se nahaja v jedru v obliki kromosomov. V primeru človeka je to 24 kromosomov, ki se jih da zlahka glede na dolžino, sestavo z geni gostih regij in tudi glede na lego centromere. Vsak kromosom je sestavljen iz ene verige dvojne vijačnice DNA in histonov, ki pomagajo pri zvitju in kompaktiranju genetskega materiala. Glede na stopnjo zvitja lahko ločimo bolj zviti in transkripcijsko neaktiven heterokromatin ter manj zviti in transkripcijsko bolj aktiven evkromatin. Do teh sprememb pride s postranslacijskimi spremembami histonov, kot sta aciliranje in metiliranje, ter so poleg transkripcijskih faktorjev eden ključnih mehanizmov za uravnavanje ekspresije genov. Zelo majhen delež človeškega dednega zapisa dejansko predstavljajo kodirajoče regije(manj kot 10%). V teh delih se nahajajo geni za zapis proteinov kot tudi za rRNA, tRNA, snRNA in druge RNA molekule. Poleg tega, da se geni lahko močno razlikujejo po funkcijah, so tudi zelo raznovrstni glede na nahajanja na verigah DNA in kromosomih ter tudi njihovega ponavljanja.

Družine genov

Zelo velik del aktivnih genov v človeškem genomu se nahaja v družinah z dokaj ohranjenimi deli zaporedij. Podobnost se lahko razteza čez večino zaporedja gena ali le čez njegovo kodirajoče dele. Prav ta podobnost kaže na evolucijsko in tudi funkcijsko sorodnost med geni. Seveda se je lahko podobnost čez čas zaradi mutacij tudi zmanjšala in so nekateri geni postali nefunkcionalni(pseudogeni) ali pa so od njih ostali le genski fragmenti. Družine so si lahko izrazito podobne le v določenem delu zaporedja, preostali gen dela pa se med njimi lahko močno spreminja. Največkrat velja takšna ohranjenost pri genih ki zapisujejo transkripcijske faktorje kjer ohranjeno zaporedje nosi zapis za tisto domeno proteina, ki se direktno veže na dvojno vijačnico. Nekatere družine vsebujejo gene, ki si na prvi pogled niso preveč podobni, vendar vsebujejo kratko močno ohranjeno regijo zaporedja, ki nakazuje da bodo njihovi produkti imeli neko podobno funkcijsko vlogo, kot so geni DEAD-box, ki imajo vsi identično zaporedje za 8 aminokislin in delujejo kot RNA helikaze. V določenih družinah se nahajajo geni za katere je znano da kodirajo produkte, ki so si funkcijsko podobni v bolj grobem smislu. Takšni geni največkrat nimajo določenih dobro ohranjenih regij in si po celotnem zaporedju delijo le šibko podobnost. Za njih velja da so si evolucijsko podobni, vendar je njihov skupni izvor veliko starejši kot pri družinah z bolj podobnimi zaporedji, in jih zato uvrščamo v takoimenovane super družine. V takšno kategorijo spada družina imunoglobulin genov in tudi nekateri drugi geni(HLA, TCR, T4, T8), saj vsi kodirajo produkte, ki imajo funkcijo v imunskem sistemu, in domeno, ki je strukturno podobna določeni domeni v imunoglobulinih.

Lokacije genov

Geni s podobnimi funkcijami so največkrat sorodni med seboj in se nahajajo v takoimenovanih genskih skupkih, saj so nastali z vporedno podvojitvijo. Geni, ki zapisujejo sorodne produkte, vendar se nahajajo na različnih kromosomih so manj sorodni med sabo, čeprav obstajajo primeri kjer so geni, ki so porazdeljeni med kromosomi, med seboj bolj podobni kot tisti v istem genskem skupku(HOX gen družina). Pri tistih genih, ki zapisujejo produkte, ki so med seboj strukturno različni a funkcijsko sorodni(podenote makromolekule, komponente iste metabolne poti ipd.), velja v skoraj vseh primerih, da se ne nahajajo v istih skupkih in so najpogosteje na različnih kromosomih. Zelo malo je primerov kopij identičnih genov, ki zapisujejo isti protein. Najpogosteje so to pred kratkim podvojeni geni v genskih skupkih, lahko pa se zgodi da isti polipeptid zapisujeta dva gena na različnih kromosomih. Takšen primer so geni za zapis histonov, kjer 5 strukturno različnih histonov zapisuje 61 genov razporejenih preko sedmih kromosov. Prav takšna razporejenost omogoča natančno kontrolo nad tem kateri in koliko histonov se bo v danem momentu sintetiziralo.

Velikosti genov

Kot so si geni v človeku različni po razporejenosti, so si prav tako lahko zelo različni po velikosti. Vse od nekaj sto baz do tudi nekaj Mb za največje gene(primer distrofina, ki je velik 2,4Mb in ze prepisuje 16h). Čeprav bi bilo smiselno sklepati da daljši kot bo genski zapis, večji bo produkt, se moramo paziti tudi nekaterih izjem, saj moramo tudi upoštevati vsebnost intronov v posameznih genih. Zelo malo človeških genov je brez intronov(večinoma zelo majhni geni). Zelo opazno je, da se v večjih genih poveča delež intronov v primerjavi z eksoni. Vzrok tega je da, čeprav so eksoni dokaj stalnih velikosti(okoli 200b), se introni lahko zelo razlikujejo glede na velikost.

Gostota genov

V preprostejših organizmih opazimo bolj skoncentrirane gene. Ti se pojavljajo približno 1 ali 2 na vsakih 5kb. Pri človeku je gostota genov odvisna od mesta na kromosomu, ki ga opazujemo. Povprečna gostota tako znaša 1 gen na 40-45kb, ki pa se v najgostejšem delu poveča na 1 gen na 13kb. Čeprav redko, lahko pri dovolj gostih regijah opazimo tudi prekrivanje nekaterih genov, kjer pa se gena prepišeta z nasprotnih si DNA verig. Pogosto se v genih, ki zapisujejo z ribosomi povezane proteine ali jedrne proteine, nahajo tudi geni za majhne jedrne RNA molekule(snRNA). Poleg tega obstajajo tudi primeri, ko se manjši geni nahajajo v intronih večjih genov.

• Wouter de Laat & Frank Grosveld. Spatial organization of gene expresion: the active chromatin hub. Chromosome research, 2003, letn. 11, str. 447-459
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7587/
• http://www.wisegeek.com/what-is-a-gene-cluster.htm
• https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_cluster