3.Реалізація генетичної інформації прокаріот, модель оперона, конститутивні мутанти.

З молекулярної точки зору ген складається з регулюючих і структурних елементів. Регулюючі – відповідають за порядок зчитування інформації, а структурні – за структуру білку (кінцевого продукту). У прокаріот структурний ген – це безперервна ділянка молекули ДНК. Транскрипція починається після зв’язування РНК-полімерази з регулюючою ділянкою, а потім відбувається копіювання з першого гену до останнього, з утворення мРНК.

Первинна структура білку, що синтезується, визначається тільки інформацією, що існує в мРНК. Інші типи РНК, рибосоми, ферменти лише беруть участь в реалізації цієї інформації.

Було встановлено, що дія генів підлягає генетичному контролю. Сукупність суміжних структурних генів поряд з групою регуляторних генів складає одиницю генетичної регуляції – оперон. Відповідно моделі оперона хромосома містить як найменш 4 компоненти регулювання: структурний ген (або гени, що контролюють взаємозв’язані біохімічні функції S₁, S₂ ,S₃), ген-регулятор ( R), ген-оператор (O), ген-промотор (P) (рис.4). Ген-регулятор визначає структуру білку репресору. Білок-репресор здатний зв’язуватися з геном-оператором (О), в цьому випадку процес зчитування інформації припиняється, оскільки РНК-полімераза не може пересуватися уздовж молекули ДНК. Ген-оператор (О) відповідає за порядок зчитування інформації, ген-промотор (Р) є початковою ділянкою для зв’язування РНК-полімерази, ферменту, який каталізує транскрипцію ДНК в мРНК.

Якщо у середовище додати речовину-індуктор (Y), то білок репресор блокується, втрачає здатність з'єднуватися з геном-оператором і процес транскрипції здійснюється.

В тому випадку, коли необхідно, щоб експресія відбувалась постійно, проводять мутації в гені-регуляторі, тоді змінюється структура білку-репресору і він втрачає здатність зв’язуватися з геном-оператором, або мутацію здійснюють у гені-операторі, тоді білок-репресор не розпізнає його і зв’язок також не відбувається. Такі мутанти мають назву конститутівні мутанти.

В ДНК Е.соІі гени, що кодують ферменти біосинтезу деяких амінокислот, знаходяться у різних ділянках хромосоми, але усі вони контролюються одним тим самим регуляторним геном - регулоном . Іншій приклад регулону – це сукупність генів, що кодують близько двох десятків білків і ферментів, які створюються у клітині у відповідь на пошкодження ДНК – це так званий SOS-регулон.

Оперони і регулони, які контролюють подібні фізіологічні функції відкриті майже у всіх видах бактерій.

4. Реалізація генетичної інформації еукаріот, ділянки, що забезпечують регулювання роботи генів (аутенуатори, енхансери, тата-бокс, гц-бокс).

У еукаріот значна кількість структурних генів складається з декількох дискретних кодуючих ділянок – екзонів, відділених некодуючими ділянками – інтронами. Транскрипція генів у еукаріот відбувається в ядрі клітини, що сприяє утворенню мРНК-попередників, тобто про-мРНК, або гетерогенних ядерних мРНК.

Після завершення транскрипції структурного гену еукаріот інтрони вирізуються (процесинг) з первинного транскрипту, а екзони зшиваються один з одним (сплайсінг) з утворенням функціональної, або зрілої мРНК. Після закінчення сплайсінгу зріла мРНК, яка має значно менший розмір, ніж ядерна мРНК, надходить в цитоплазму клітини, де відбувається друга, заключна, стадія експресії гену – трансляція білку.

На відміну від генів прокаріот, гени, що кодують білки еукаріот, не поєднані в оперони. Кожен еукаріотичний структурний ген має свій власний набір регуляторних елементів, як ті з яких починається процес зчитування інформації (промоторні), так і ті, завдяки яких синтез припиняється – термінатори транскрипції, або термінуси.

За сучасними уявленнями, на початку гену еукаріот існують ділянки, що забезпечують регулювання роботи генів і здійснюють первинний контакт і точну орієнтацію РНК-полімерази відносно нуклеотиду, з якого відбувається транскрипція. Ці ділянки позначають як ГЦ і ТАТА-бокс, залежно від нуклеотидів, які входять до їх складу. Ділянка ГЦ-бокс розташована на відстані біля 90 нуклеотидів від сайта ініціації транскрипції і виконує функцію початкового контакту РНК-полімерази з промотором. Це специфічна група, тобто характерна для певного гену. Друга група – ТАТА-бокс, визначається, як неспецифічна, вона віддалена від сайту ініціації на 25-30 п.н. і на відміну від ділянки ГЦ, має закономірну послідовність нуклеотидів і завжди починається з чергування тиміну (Т) і аденіну (А). Ця група забезпечує правильний початок транскрипції за рахунок того, що РНК-полімераза – фермент транскрипції, який складається з двох частин: 1 –розпізнавальної, 2 – активної, зв’язується з ТАТА-бокс ДНК розпізнавальною частиною, а активна частина розміщується безпосередньо над першим нуклеотидом, який транскрибується. Механізм ТАТА-бокс однаковий для всіх генів.

За специфічну регуляцію включення генів у еукаріот відповідають специфічні локуси (ділянки) – енхансери (посилювачи). Їх функції полягають в активації гену, інтенсифікації його транскрипції за рахунок збільшення кількості з’єднань РНК-полімерази з промотором. Кожне з’єднання ферменту з промотором викликає процес транскрипції, тобто відбувається експресія гену і збільшується кількість кінцевого продукту. Властивості енхансеру виявляються лише при наявності певних регуляторних білків, що здатні розпізнавати енхансери власних генів, приєднатися до них і таким чином викликати активацію генів.

Необхідно відмітити, що як в ділянках, що термінують транскрипцію генів, так і між промотором і першим структурним геном виявлені ділянки, які здатні блокувати транскрипцію. В певних умовах відбувається утворення сигналу, що уповільнює процес транскрипції - це явище атенуації, а ділянка ДНК, активація якої викликає припинення експресії, має назву атенуатор.

В структурі ДНК еукаріот відкрити спейсери - міжгенні ділянки, які необхідні для організації структури генома і регуляції функції окремих ділянок ДНК. В генетичної інженерії ці ділянки можна використовувати для внесення чужорідних генів. Відкриття спейсерів дозволяє визначити ген, як ділянку ДНК, що обмежена двома кінцевими спейсерами.