Теория Ф. Жакоба и Ж- Моно о регуляции синтеза и-РНК и белков

2. Теория Ф. Жакоба и Ж- Моно о регуляции синтеза и-РНК и белков

 

Механизм регуляции генетического кода был открыт французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на бактериях. E. coli и получил название механизма индукции-репрессии. Было установлено, что синтез соответствующих белков – ферментов – индуцируется веществом, служащим субстратом и необходимым для нормальной жизнедеятельности клетки. Так, например, для нормальной жизнедеятельности E. coli необходим молочный сахар (лактоза), и в ее геноме содержаться гены, контролирующие синтез ферментов, гидролизующих лактозу до простых соединений. Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены пребывают в репрессированном состоянии и не функционируют. Внесенная в среду лактоза будет тем индуктором, который включает в работу длинные гены, и в клетке начинается синтез ферментов, гидролизующих лактозу до более простых соединений. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается. Роль репрессора может выполнять и вещество, синтезируемое в клетке, если содержание его превышает норму. Например, если синтезируются нуклеотиды аминокислоты и другие вещества и содержание их превышает количество, необходимое данной клетке, каждое из них может быть репрессором и подавлять работу генов, синтезирующих ферменты, необходимые для данного биохимического процесса.

 Механизм индукции-репрессии обеспечивает включение в работу тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается, когда деградируемый данными ферментами субстрат израсходован или когда синтезируемое данными ферментами вещество находится в избытке. У высших организмов процесс регуляции работы генов осуществляется более сложно: у животных важную роль в этом процессе играют гормоны, клеточные мембраны; у растений - условия внешней среды, в том числе и окружающие клетки.

Раскрытие механизма регуляции генетического кода показало сложное строение локализованного в молекуле ДНК генетического аппарата. Гены, непосредственно кодирующие синтез соответствующих ферментов, называют структурными генами. Они входят в состав оперона, работу которого регулирует ген-регулятор. Как правило, структурные гены в опероне находятся в состоянии репрессии. Ген-регулятор расположен на особом участке молекулы ДНК и кодирует синтез специального белка, называемого репрессором. Работой структурных генов управляют находящиеся в опероне гены, не имеющие кодирующих функций. Их называют акцепторными генами. Система акцепторных и структурных генов образует единицу генетической регуляции, или оперон.

Акцепторные гены служат местом прикрепления различных белков, регулирующих работу структурных генов. Если лактоза, проникая в клетку, блокирует белки, кодируемые геном-регулятором, то они теряют способность присоединяться к гену-оператору. Ген-оператор переходит в активное состояние и включает в работу структурные гены. РНК-полимераза с помощью Сар-белка присоединяется к промотору и, продвигаясь вдоль оперона, синтезирует про-м РНК. При транскрипции мРНК считывает генетическую информацию со всех трех структурных генов в одном опероне. При трансляции на рибосоме происходит синтез трех разных полипептидных цепей в соответствии с содержащимися в мРНК кодами – последовательностями нуклеотидов, обеспечивающих инициацию и терминацию трансляции каждой цепи.

Тип регуляции работы генов, рассмотренной на примере лактозного оперона, называется негативной индукцией синтеза белка. Другим типом регуляции работы генов служит негативная репрессия, изученная у E.coli на примере trp –оперона, контролирующего синтез аминокислоты триптофана. Этот оперон состоит из 6700 пар нуклеотидов и содержит пять структурных генов, ген-оператор и два промотора. Ген-регулятор обеспечивает постоянный синтез регулярного белка, который не влияет на работу trp-оперона. При избытке в клетке триптофана последний соединяется с регуляторным белком и изменяет его таким образом, что он связывается с опероном и репрессирует синтез соответствующей мРНК.

Известна также и так называемая позитивная индукция, когда белковый продукт гена-регулятора активирует работу оперона, то есть выступает в роли не репрессора, а активатора. Деление это условно, и строение акцепторной части оперона, действие гена-регулятора у прокариотов весьма разнообразны.

Число структурных генов в опероне у прокариотов колеблется от одного до двенадцати; оперон может иметь либо один, либо два промотора и терминатора. Все структурные гены, локализованные в одном опероне, как правило, контролируют систему ферментов, обеспечивающих одну цепь биохимических реакций. Несомненно, что в клетке существуют системы, согласующие регуляцию работы нескольких оперонов.

В связи с особенностями организации отдельных генов эукариот и генома в целом регуляция генной активности у них характеризуется некоторыми отличиями по сравнению с прокариотами.

У эукариот не обнаружено организации генов по типу оперона. Установлено, что функционирование генов, несомненно, подчиняется регуляторным воздействием, однако регуляция транскрипции у эукариот является комбинационной, то есть активность каждого гена регулируется большим спектром генов-регуляторов.

У эукариотических генов имеется несколько областей, которые узнаются разными белками-регуляторами. Одна из них расположена недалеко от промотора и включает около ста пар нуклеотидов, в том числе ТАТА-блок. Установлено, что для успешного присоединения РНК-полимеразы к промотору необходимо предварительное соединение с ТАТА-блоком особого белка – фактора транскрипции – с образованием стабильного транскрипционного комплекса. Именно этот комплекс ДНК с белком узнает РНК-полимеразой. Последовательности нуклеотидов, примыкающих к ТАТА-блоку, формируют требуемый для транскрипции элемент, расположенный перед промотором.

Другая область, играющая важную роль в регуляции генной активности эукариотических генов, располагается на большом расстоянии от промотора и называется энхансером.

И энхансер, и препромоторный элемент эукариотических генов содержат серию коротких нуклеотидных последовательностей, которые связываются с соответствующими регуляторными белками. В результате взаимодействия этих белков происходит включение или выключение генов.

Особенностью регуляции экспрессии эукариотических генов является также существование белко-регуляторов, которые способны контролировать транскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белки-регуляторы. В связи с этим белки-регуляторы обладают координирующим влиянием на активность многих генов, и их действие характеризуется плейотропным эффектом. Примером может служить существование белка, который активирует транскрипцию нескольких специфических генов, определяющих дифференцировку предшественников жировых клеток.

Активная работа структурных генов у эукариот зависит от того, какую функцию выполняет клетка в соответствующих тканях или органах. Значительная часть генов в ядрах дифференцированных клеток находится в репрессивном состоянии, при этом регуляция генной активности связанны с образованием стойкого комплекса ДНК с белками – хроматина. Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гистонам, поэтому они, несомненно, участвуют в процессах регуляции генной активности. Непременным условием для осуществления транскрипции у эукариот является предварительная декомпактизация хроматина на соответствующем участке, где временно утрачивается связь с Н1-гистонами и насколько ослабляется связь с нуклеосомными гистонами. Правда, нуклеосомная организация хроматина не утрачивается даже в ходе транскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых белков становится возможным и происходит дерепрессия гена.

Условно структурные гены эукариот могут быть по их активности подразделены на несколько типов. К первому типу могут быть отнесены гены, функционирующие во всех клетках организма. Это гены, кодирующие ферменты энергетического обмена, ферменты, необходимые для синтеза аминокислот, а также гены, контролирующие образование мембраны и других структурных белков. Ко второму типу можно отнести гены, контролирующие синтез миозина в мышечных клетках, коллагена – в костях и т.д. К третьему типу могут быть отнесены гены специализированных клеток, выполняющие важные, но узкие функции – синтез глобина в эритроцитах, гормонов в эндокринных железах и т.д.

Характерно, что в отличие от прокариот мРНК в клетках эукариот может сохраняться довольно продолжительное время, не теряя свои функций. Так, например, у животных ряд типов мРНК синтезируется в оогенезе, сохраняется в яйцеклетке и начинает функционировать на рибосомах после оплодотворения, оказывая значительное влияние на эмбриональное развитие.

Особенностью регуляции транскрипции у эукариот является подчиненность этих процессов регулирующим влиянием со стороны гормонов организма. Последние часто играют роль индукторов транскрипции. Так, некоторые стероидные гормоны обратимо связываются особыми белками-рецепторами, образуя с ними комплексы. Активированный гормоном рецептор приобретает способность соединяться со специфическими участками хроматина, ответственными за регуляцию активности генов, в которых рецепторы узнают определенные последовательности ДНК.

Специфичность регулирующего воздействия гормона на транскрипцию обусловлена не только природой самого гормона, но и природой клетки-мишени, синтезирующей специфический белок-рецептор, который влияет на транскрипцию определенного для данной клетки набора генов. Примером участия гормонов в регуляции активности определенных генов может служить влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-рецептора. Отсутствие последнего при мутации соответствующего гена не дает возможности гормону проникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение определенного набора генов: развивается синдром тестикулярной феминизации, или синдром Морриса.

У эукариот возможна регуляция синтеза белка на уровне трансляции. При этом имеют значение типы тРНК и ферментов, активирующих соответствующие аминокислоты, а также вырожденность генетического кода. Большая часть аминокислот кодируется несколькими триплетами, получившими название изоакцепторных кодонов. Одна и та же аминокислота может доставляться на мРНК несколькими типами тРНК. Так, кодирование аминокислоты аргинин может происходить посредством кодонов ЦГЦ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ, АГА, АГГ. Процесс трансляции зависит также от состояния тРНК, рибосом, наличия или отсутствия соответствующих готовые белковые молекулы.

Регуляция на стации трансляции является наиболее экономичной, но недостаточно быстро реагирующей на изменение ситуации. Так, возникшая в клетке потребность в каком-либо белке не может быть быстро удовлетворена путем включения транскрипции соответствующего гена. Синтезированный транскрипт должен подвергнуться процессингу, затем зрела мРНК должна выйти из ядра в цитоплазму и, образуя комплекс с рибосомами, осуществить трансляцию информации, синтезировав пептид, который, лишь пройдя посттрансляционное изменение, формирует активный белок, необходимый клетке.

В том случае, когда клетке нужно прекратить синтез какого-то продукта, после выключения транскрипции соответствующего гена в цитоплазму некоторое время будут продолжать поступать созревающие молекулы мРНК, осуществляющие там синтез пептидных цепей, пока они не деградируют под действием ферментов. Таким образом, для эффективной регуляции экспрессии генов у эукариот должны существовать механизмы, работающие не только на стадии транскрипции, но и на других этапах этого процесса.

Молекула ДНК в процессе биосинтеза осуществляет реализацию наследственной информации. Этот процесс, несмотря на некоторые особенности, характерные для прокариот и эукариот, является, по сути, единым для всего органического мира путем воплощения наследственной информации в свойства и признаки.

3. У свиней белая щетина (ген «В») доминирует над черной (ген «в»), а наличие сережек (ген «С») — над их отсутствием (ген «с»). Определите генотип белого хряка с сережками, если от спаривания его с черными без сережек свиноматками получено 50% белых поросят с сережками и 50% черных поросят с сережками?

 

Дано:

В-белая щетина

в-черная щетина

С-наличие сережек

с-отсутствие сережок

муж. Ввсс

F1 = 50% В_ С _: 50% ввС_ = 1:1

жен. - ?

Решение:

Р муж. ввсс х жен. ВвСС

F1 ВвСс ввСс

Одну хромосому поток получает от матери, другую от отца, исходя из этого находим генотипы.

Ответ: жен. ВвСС

 

4. Петух с розовидным гребнем (ген «R») спарен с имеющей гороховидный гребень (ген «Р») курицей. От этого спаривания получено 25 потомков с гороховидным гребнем, 24 — с ореховидным, 26 — с розовидным и 22 — с простым (листовидным) -гребнем. Определите генотипы родителей, составьте схему скрещивания и определите генотипы и фенотипы потомков

Эта задача на признаки, определяющие двумя взаимодействующими генами.

R_P_ - ореховый гребень

rrpp — листовой гребень

R_pp – розовидный гребень

rrP_ – гороховый гребень

F1 по Ф = 25 гор.г. : 24 орех.г. : 26 розов.г. : 22 листов.г. = 1:1:1:1

Р (муж.;жен.) - ?

F1 - ?

Р муж. RrPp x жен. Rrpp

F1 RrPp; rrpp; Rrpp; rrPp

Одну хромосому потомок получает от матери, другую от отца.

Ответ: муж. RrPp; жен. Rrpp

F1 RrPp – ореховый

rrpp – листовидный

Rr pp – розовидный

rrPp – гороховый

5. Какова концентрация доминантного гена «R» (при условии применимости закона Харди-Вайнберга), если гомозиготы по рецессивному гену «r» составляют такой процент от всей популяции: 49, 36, 25, 4? Определите генетическую структуру этих популяций

 

rr(гомозигота по рецессиву) = 49% = 0,49 (1)

 = 36% = 0,36 (2)

 = 25% = 0,25 (3)

 = 4% = 0,04 (4)

концентрация R -?

(RR + Rr) rr

р + g = 1 з-н Харди-Вайнберга

р — частота встречаемости доминантного гена

р + 0,49 = 1 р + 0,36 = 1 р + 0,25 = 1 р + 0,04 = 1

(RR + Rr) р1 = 0,51 р2 = 0,64 р3 = 0,75 р4 = 0,96

Rr = 2pg — частота гетерозигот

1 Rr = 2 x 0,51 х 0,49 = 0,50 2 2 х 0,36 х 0,64 = 0,46

rr = 0,49 = 49% rr = 36%

(RR + rr) = 0,51 RR = 0,64 — 0,46 = 18%

0,51 — 0,5 = 0,01 Rr = 46%

RR = 0,01 = 1%

Rr = 0,50 = 50%

3 2pg = 2 х 0,75 х 0,25 = 0,38 = 38% 4 2pg = 2 х 0,04 х 0,96 = 0,08

RR = 0,75 — 0,38 = 0,37 = 37% RR = 0,96 — 0,08 = 0,88

Литература:

 

А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко: «Генетика», М. 2006г.