Біологічне значення оперонов
З одного боку, оперонная організація дає перевагу з точки зору регуляції генів, об'єднані функціонально. Однак оперонная організація не відображає генезису генів, так як гени в оперонах не є спорідненими за походженням. Тому для клітини проблема скоріше в тому, щоб диференціювати дію єдиної регуляторної системи на кожний окремий ген.
Об'єднання функціонально близьких генів у опероны, мабуть, поступово склалося в еволюції бактерій з тієї причини, що у них перенесення генетичної інформації зазвичай здійснюється невеликими порціями (наприклад, при трансдукції або за допомогою плазмід). Значення має саме по собі зчеплення функціонально споріднених генів, що дозволяє бактеріям купувати необхідну функцію в один етап.
3.3 Регуляція експресії генів у вищих еукаріотів
Найважливіша особливість функціонально-генетичної організації еукаріотів - відсутність у них оперонов, подібних оперонам бактерій. Однакпромоторные і терминаторные ділянки у еукаріотів є; більш того, вони більш різноманітні, ніж у прокаріотів. Однак структурні гени, контролюючі послідовні етапи метаболічного процесу, можуть перебувати у еукаріотів в різних ділянках однієї хромосоми або навіть в різних хромосомах. Фізико-хімічний та електронно-мікроскопічний аналіз знов синтезованої РНК показує, що вона складається із величезних молекул довжиною в кілька десятків тисяч нуклеотидів. Тому правильніше говорити про функціональну генетичної одиниці у еукаріотів як протранскриптоне (Г.П. Георгієв), тобто ділянці ДНК, з якого зчитується єдина безперервна молекула РНК. Доведено, що у відповідь на дію зазначених індукторів активується ціла батарея структурних генів, серед яких знаходяться гени, що кодують певні білки, так і гени рРНК і тРНК.
Поряд зі звичайними нуклеотидными послідовностями промоторной і терминаторной областей транскрипції у еукаріотів виявлені такі специфічні елементи регуляції, як підсилювачі (энхансеры), і глушники (сайленсеры).
Энхансеры - це ділянки ДНК, які діють як підсилювачі транскрипції, перебуваючи на відстані кількох сотень і навіть тисяч пар нуклеотидів від регульованого гена; в інших випадках энхансеры знаходяться в самих структурних генах у складі інтронів. Ймовірно, механізм дії енхансерівпов'язаний зі зміною нуклеосомной структури хроматину. Сайленсеры - це ділянки ДНК, які, розташовуючись в декількох сотнях пар нуклеотидів до або після регульованого гена, вимикає транскрипцію, змінюючи структуру хроматину. Існують мутації, які не зачіпаючи сам глушник, роблять його неактивним і тим самим «дозволяють» транскрипцію з промотора регульованого гена.
Істотна особливість генетичної регуляції у клітинах еукаріотів полягає в тому, що процес транскрипції залежить від стану хроматину. Зокрема локальна компактизация ДНК в її окремих ділянках повністю блокує синтез РНК. Ймовірно, це пов'язано з тим, що в такі області не може проникнути РНК-полімераза.
Сам факт тотальної регуляції дії генів в даний час не викликає сумнівів. Активність генів оцінюється за кількістю типів генних продуктів (РНК-вих копій) в цитоплазмі. Це питання було досліджено на клітинах людини лінії HeLa - «стандартної» ракової тканини, культивованоїin vitro протягом десятків років. Геном клітин HeLa вважається сильно дерепрессированным, тобто в них функціонує значно більша (близько 35 тис.) число генів, ніж у звичайних соматичних клітинах, хоча це не означає, що клітини HeLa виробляють настільки ж велика кількість кінцевих генних продуктів - поліпептидів. Виявилося, що з функціональної активності гени клітин HeLa можуть відрізнятися майже на чотири порядки. Так, існує близько 10...12 генів, представлених 12...13 тис. РНК-вих копій, і кілька десятків генів, яких у цитоплазмі відповідають поодинокі молекули мРНК.
Регуляція активності генів в ході онтогенезу у еукаріотів
Клітини різних тканин рослин і тварин відрізняються один від одного головним чином тим, що в них відбувається синтез різних груп білків, що і визначає їх структурну і функціональну специфіку. Таким чином, проблема генетичного контролю індивідуального розвитку тісно пов'язана з проблемою диференційної експресії генів. Експресія генів залежить від факторів зовнішнього та внутрішнього середовища і, в той же час, знаходиться під контролем генотипу. Наприклад, відомі особливі гомеозисные гени, які контролюють експресію інших генів.
Експресія генів закономірно змінюється в ході онтогенезу. В якості прикладу розглянемо зміна структури гемоглобіну у людини. Гемоглобін - тетрамерный білок, до складу якого входять чотири поліпептидних ланцюги і чотири молекули гема. Кожна молекулагема містить один атом заліза, що зв'язує одну молекулу молекулу кисню або вуглекислого газу. Дві поліпептидних ланцюги, що входять до складу одного тетрамера, носять загальна назва α, а дві - загальна назва β. В цілому структура тетрамера описується формулою α2β2. Проте ця загальна формула потребує уточнення. Поліпептиди типу α представлені двома підтипами - ζ і а. Обидва підтипу кодуються дуплицированными генами, локалізованими в 16-й хромосомі, однак гени ζ експресуються в ранньому ембріогенезі, а гени α - переважно у плодів та у дорослих організмів. Поліпептиди типу β представлені підтипами ε, γ, δ, β. Кодують їх гени розташовані в 11-й хромосомі в зазначеному порядку, який відповідає порядку їх експресії: ген ε експресується на ранніх стадіях розвитку ембріонів, γ - у плода, δ - у новонароджених, β - у дорослих. В цілому «дорослий» гемоглобін складається з чотирьох ланцюгів (двох ланцюгів α і двох ланцюгів β) і описується формулою α2β2. Однак експресія гена δ у дорослої людини повністю не припиняється, і близько 1% β-ланцюгів заміщено на гемоглобін δ (дитячий гемоглобін).
Регуляція експресії генів в ході онтогенезу здійснюється на різних рівнях: генному, транскрипционном, посттранскрипционном, трансляционном і посттрансляционном (функціональному).
4. Регуляція експресії генів на генному рівні
4.1 Модифікація ДНК (заміна мажорних «звичайних» азотистих основ - аденіну, гуаніна, і цитозіна тиміну - на мінорні «рідкісні» азотисті основи, зазвичай на метил-цитозин або метил-гуанін). Доведено, що метилювання цитозина істотно впливає на експресію генів. Наприклад, активні гени гемоглобіну менше метилированы, ніж неактивні.
4.2 Збільшення обсягу ДНК в клітині шляхом диференціальної ампліфікації ДНК або за рахунок утворення политенных хромосом
Диференціальна (виборча, або селективна) ампліфікація ДНК, яка полягає в багаторазовому копіюванні окремих генів, наприклад, генів рРНК. Це явище спостерігається у прокаріотів, а також у еукаріотів, наприклад, в ооцитах багатьох тварин, зокрема, у амфібій. Ампліфікація пов'язана із збільшенням обсягу яйця в сотні і тисячі разів. Щоб заповнити такий величезний об'єм клітини рибосомами, гени рДНК самі збільшуються в числі настільки, що, наприклад, у шпорцевой жаби після закінчення ампліфікації зміст рДНК майже дорівнює кількості ДНК, укладеним в диплоидном наборі хромосом. Кількість ядерець (органоїдів, що контролюють утворення рибосом) зростає з 2 одиниць до 1,5 тис. Ампліфікація рРНК відбувається і при мегаспорогенезе у рослин. (Чудова особливість молекулярного механізму ампліфікації полягає в тому, що він здійснюється за принципом котиться кільця - як у прокаріотів. Одна з копій гена рДНК залишає хромосому, перетворюється вэкстрахромосомную копію, потім замикається в кільце, з якого як би витягується хвіст довжиною в кілька десятків мікрометрів. Потім ця структура знову циклизуется, утворюючи велике кільце, на основі якого формується ядерце.)
Іншим механізмом збільшення обсягу ДНК в клітині є освіта политенных хромосом, наприклад, у слинних залозах личинок двокрилих комах, у клітинах зародкового мішка Покритонасінних рослин. Часткова политения виявлена і у ссавців: відбувається багаторазове подвоєння не всієї молекули ДНК, а тільки деяких її ділянок.
4.3 Різні випадки програмованих кількісних змін ДНК
Прикладом регулювання, обумовленої транспозицією, служить феномен зміни фаз(типу джгутиків) у сальмонел. Діючий в клітинах сальмонел перемикач містить промотор, який може змінювати свою просторову орієнтацію. В одній орієнтації промотор забезпечує транскрипцію гена Н2, що кодує синтез джгутиків одного типу, з одночасною репресією гена H1, кодує синтез джгутиків іншого типу. У протилежної орієнтації промотору ген Н2 не експресується, в той час як експресія гена H1 стає можливою.
4.4 Сплайсинг ДНК. Регулювання, пов'язана з сплайсингом ДНК, вивчена на прикладі генів, що кодують синтез антитіл
Відомо, що різноманітні чужорідні речовини - антигени, що потрапляють в наш організм, - зв'язуються особливими білками - антитілами, або імуноглобулінами. Ссавці можуть продукувати до мільйона різних антитіл, які виробляються Т - і В-лімфоцитами імунної системи. Існує особливий розділ генетики - иммуногенетика- який вивчає генетичний контроль імунної відповіді. Основу молекул імуноглобулінів становить складний білок, що складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів - двох важких (Н) і двох легких (L), пов'язаних дисульфідними містками. Обидва типи ланцюгів мають константные (С) і вариабельные (V) ділянки. Центр зв'язування антигену утворюють вариабельные ділянки Н - та L-ланцюгів. Механізм об'єднання константных і варіабельних ділянок в одній і тій же поліпептидного ланцюга детально вивчений. Доведено, що у ембріонів фрагменти ДНК, що кодують V - і С-ділянки, просторово розділені. При розвитку системи імунітету у хребетних тварин і людини відбувається диференціювання лімфоцитів, в ході якої гени, що кодують V - і С-ділянки, перебудовуються таким чином, що в результаті вони виявляються частинами одного і того ж гена, транскрибируемого як ціле. Таким чином, сплайсинг ДНК забезпечує зшивання консервативних (тобто постійно присутніх) районів цих генів з різними варіюються. В результаті з'являється велика кількість типів антитіл, оскільки будь-яка консервативна область може бути приєднана до будь варьирующей.
4.5 Диминуция хроматину
У деяких організмів (у аскарид, циклопів) в соматичних клітинах відбувається незворотна втрата частини генетичного матеріалу (від 20 до 80% ДНК). У повному обсязі вихідна генетична інформація зберігається тільки в клітинах зародкового шляху, тобто в клітинах, які дадуть надалі початок статевим клітинам. Саме гамети містять всю повноту генетичної інформації даного виду і складають безперервний, потенційно безсмертний зародковий шлях. Смертні соматичні клітини індивідуумів, що представляють собою як би відгалуження від зародкового шляху, що виникають після запліднення. А. Вайсман вважав диминуцию хроматину універсальним механізмом диференціювання клітин і тканин, проте надалі було показано, що цей спосіб диференціювання зустрічається досить рідко. Наприклад, подібне явище спостерігається у інфузорій: диплоидном микронуклеусе повністю зберігається вихідний набір генів, а у поліплоїдних макронуклеусе
10% генів (правда, за рахунок поліплоїдизації залишилася інформація багаторазово дублюється).4.6 Зміна активності цілих хромосом
Відомо, що у самок ссавців в каріотипі присутні дві X-хромосоми, а у самців одна X- і одна Y-хромосома. Незважаючи на те, що жіночі особини ссавців мають дві Х-хромосоми, а чоловічі - тільки одну, експресія генів Х-хромосоми відбувається на одному і тому ж рівні у обох статей. Це пояснюється тим, що у самок в кожній клітині повністю інактивована одна Х-хромосома. Цю хромосому можна бачити в інтерфазі у формі гетерохроматинового тельця, названого тільцем Барра. Х-хромосома інактивується на ранній стадії ембріонального розвитку, що відповідає часу імплантації. При цьому в різних клітинах батьківська і материнська Х-хромосоми вимикаються випадково. Стан інактивації даноїХ-хромосому успадковується в ряді клітинних поділів. Таким чином, жіночі особини, гетерозиготні за геном статевих хромосом, являють собою мозаїки. Широко відомий приклад прояву такої мозаїчності - черепахові " кішки, мають чорні і жовті плями. Ці кішки гетерозиготны по гену ЗY /ЗB (CY - жовтий хутро, ЗB - чорний хутро). Жовті та чорні плями у них розвиваються в результаті випадкової інактивації в ранньому ембріогенезі Х-хромосомою з алелем ЗB або CY. Черепахову забарвлення майже завжди мають кішки, якщо ж зрідка виявляються коти такого забарвлення, то вони мають хромосомну конституції XXY.
5. Регуляція експресії генів на рівні транскрипції
У багатьох випадках диференціювання відбувається шляхом регуляції транскрипції мРНК. Інтенсивне функціонування окремих генів або їх блоків відповідає певним етапам розвитку і диференціювання.
При вивченні гігантських политенных хромосом (у слинних залозах личинок дрозофіл) і петель в хромосомах типу «лампових щіток» (в ооцитах на стадії профазы I) було встановлено, що мРНК синтезується з різною швидкістю в різних ділянках хромосом, зокрема, освіта пуфів і петель пов'язано з підвищенням інтенсивності синтезу мРНК.
Динаміка утворення пуфів. У гігантських политенных хромосомах часто спостерігаються здуття певних районів хромосом, обумовленідекомпактизацией окремих дисків і інтенсивним синтезом в них РНК. Ці здуття називаються пуфи (або кільця Бальбіані). Пуфи являють собою місця інтенсивного синтезу мРНК. Динаміка утворення пуфів на гігантських хромосомах в процесі розвитку двокрилих є відображенням зміни активності генів. Формування комплексів пуфів, характерних для клітин окремих тканин і органів диференційованого організму, є показником загального рівня найбільш інтенсивно протікають метаболічних процесів в даних клітинах. При зниженні синтетичної активності петлі синтезована мРНК відокремлюється від хромосоми і пуфи политенных хромосом зникають.
Встановлена роль стероїдних гормонів (зокрема, экдизона - гормону окукливания) в індукції пуфів, а також роль білків, синтезованих ранніми пуфами, індукції пізніх пуфів. Таким чином, стероїдні гормони і білки, ймовірно, не єдині фактори, відповідальні за перемикання генів в онтогенезі, а, отже, і за зміну фаз індивідуального розвитку організму. Механізм утворення пуфів показаний на рис. _____. Доведено, що після введення цього гормону молодим личинкам досить швидко виникають специфічні пуфи, причому тривалість їх утворення залежить від кількості введеного гормону.
Послідовність освіти пуфів змінюється також при впливах різними хімічними агентами або температурними умовами. Деякі антибіотики, які впливають на обмін РНК (наприклад, актиноміцин), пригнічують утворення пуфів, а антибіотики, які інгібують синтез білка (наприклад,пуромицин), не впливають на цей процес. Отже, активність пуфів знаходиться під контролем гормональних факторів (закодованих в генотипі) і чинників зовнішнього середовища.
Особливо велика роль стероїдних гормонів у регуляції генної активності у тварин. Відомо, що гормони синтезуються в спеціалізованих клітинах залоз внутрішньої секреції й циркулюють по всьому організму. Однак окремі гормони активують гени не у всіх клітинах, а тільки в клітинах-мішенях, які містять спеціальні рецепторні білки, з якими специфічно зв'язуються молекули гормону. Це зв'язування відбувається в цитоплазмі, а потім утворився комплекс проникає в ядро, де він взаємодіє з певними негистоновыми білками хромосом. У відсутність гормонів ці білки блокують або промоторные або інші, поки невідомі регуляторні ділянки певних генів. Комплекс «гормон - рецепторний білок» знімає блокуючу дію негистонового білка-репрессора, наслідком чого є транскрипція даного гена, дозрівання мРНК, транспорт її в цитоплазму і синтез білка.
Утворення і функціонування хромосом типу «лампових щіток». Зв'язок синтетичної активності з морфологічними перетвореннями хромосом була встановлена при вивченні оогенеза у амфібій, в ході якого утворюються хромосоми типу «лампових щіток». Ці хромосоми отримали свою назву за схожість зі щітками, якими колись чистили гасові лампи. Вони мають чітко виражене хромомерное (вузликове) будову. З хромомеров у вигляді петель витягнуті ДНК-правові осі хромосом. Оскільки хромосоми типу лампових щіток існують в диплотене і складаються з чотирьох хроматид, кожен ділянку таких хромосом представлений чотирма хромомерами і чотирма петлями. Оточення петель являє собою гранули і фібрили, що складаються з знову синтезованої РНК і білків. Таким чином, петлі - це ділянки хромомера з інтенсивною транскрипцією. Зазвичай в них легко розрізняють тонкий край, де починає свій рух РНК-полімераза і товстий край, де транскрипція закінчується. При зниженні синтетичної активності петлі синтезована РНК відокремлюється від хромосоми і петля спадає.
Число петель близько до числа типів РНК, присутніх в цитоплазмі. Ця РНК частково використовується для синтезу рибосом і білків цитоплазми яйця. Однак велика частина молекул мРНК, синтезованих хромосомами типу лампових щіток, використовується пізніше під час раннього ембріогенезу.
Цитохимическое вивчення хромосом типу «лампових щіток» виявило їх функціональне схожість з политенными хромосомами.
6. Регуляція експресії генів на посттранскрипционном рівні: модифікації (сплайсинг) мРНК
Регуляція на рівні процесингу РНК забезпечує можливість утворення різних типів зрілої, функціонально активної мРНК. Процесинг РНК регулюється з допомогою рібозімов (каталізаторів рибонуклеїнової природи - низькомолекулярних РНК) і ферментів матураз.
Однією з форм сплайсингу є альтернативний сплайсинг, при якому одній ділянці ДНК і одного первинного транскрипту (пре-мРНК) може відповідати декілька типів зрілої мРНК і, відповідно, кілька изотипов (тобто різних форм) одного і того ж білка, наприклад, м'язового білкатропонина. Твердо встановлено, що деякі генетичні захворювання людини (фенілкетонурія, деякі гемоглобінопатії) обумовлені порушенням сплайсингу.
Сплайсинг РНК відкритий порівняно недавно, тому достовірних даних по регуляції активності генів на цьому рівні недостатньо. Найбільш детально вивчена регуляція генів, контролюючих засвоєння галактози у дріжджів. Показано, що ці системи регулювання діють як на рівні транскрипції, так і на посттранскрипционном рівні. При цьому здійснюється багатоступенева, або каскадна, регуляція, у якій беруть участь елементи позитивного і негативного контролю, послідовно регулюють активність один одного.
7. Регулювання експресії генів на рівні трансляції
Регуляція на рівні трансляції обумовлена різною активністю різних типів мРНК. Наприклад, у прокаріотів деякі мРНК транслюються тільки в присутності еритроміцину. У еукаріотів регуляція генної активності на рівні трансляції добре простежено на прикладі морського їжака. Його незапліднені яйця містять велику кількість «замаскованої» (нетрансліруємій) мРНК. У дрозофіли подібні мРНК, що кодують білки оболонки яйцеклітини, накопичуються в цитоплазмі.
8. Регуляція експресії генів на рівні посттрансляційної модифікації білків
Експресія генів на рівні посттрансляційної модифікації поліпептидів регулюється шляхом посттрансляційної модифікацією білків (фосфорилюванням, ацетилированием розщепленням вихідної поліпептидного ланцюга на більш дрібні фрагменти тощо). Наприклад, білковий гормон інсулін, що синтезується в клітинах підшлункової залози, утворюється у формі препроинсулина, з якого потім шляхом відщеплення «зайвих» пептидів утворюється проинсулин. З проінсуліна вирізають дві субодиниці, що представляють собою А - і У-ланцюга інсуліну. Ці два ланцюги зшиваються між собою за допомогою дисульфідних містків. Утворилися чотири АВ-структури з'єднуються в білковий тетрамер, який приєднує два іона Zn2+ і в результаті утворюється зрілий інсулін.
Широко поширений механізм регуляції активності ферментів, заснований на приєднання до них молекул-ефекторів. Найчастіше в ролі ефекторів виступають кінцеві продукти ланцюгів біосинтезу, які зв'язуються з першим або з одним з перших ферментів даного метаболічного шляху і пригнічують його активність, тим самим виключаючи всю ланцюг синтезу. Це інгібування кінцевим продуктом, завдяки яким регулюються відразу кілька етапів метаболізму. Кінцевий продукт зв'язується з ферментом не в його активному центрі, а в аллостеричномуцентрі, і така взаємодія індукує зміна (інактивацію) активного центру ферменту.
1 2 3