Вопрос 19

Регуляция действия генов на уровне транскрипции (образование первичного транскриптона) – наиболее распространенный путь регуляции синтеза белков. Этот процесс иначе называют регуляцией действия генов или регуляцией экспрессии белков. Различают две формы регуляции: индукция синтеза (положительная регуляция) и репрессия синтеза (отрицательная регуляция). Понятия индукции и репрессии предполагают изменение скорости синтеза по отношению к некоторому исходному, базальному уровню. Синтез в базальном состоянии называют конститутивным синтезом. Если скорость конститутивного синтеза некоторого белка высока, то такой белок обычно регулируется по механизму репрессии синтеза, и наоборот – при низкой базальной скорости обычно бывает индукция синтеза. При промежуточной базальной скорости синтез белка может регулироваться и путем индукции, и путем репрессии.

Прокариоты:

Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моно, в биосинтезе белка у бактерий участвуют по крайней мере 3 типа генов: структурные гены, ген-регулятор

и ген-оператор. Структурные гены определяют первичную структуру син-

тезируемого белка. Именно эти гены в цепи ДНК являются основой для

биосинтеза мРНК, которая затем поступает в рибосому и, как было

указано, служит матрицей для биосинтеза белка. Регуляция синтеза белка

путем индукции представлена на рис. 14.12.

Синтез мРНК на структурных генах молекулы ДНК непосредственно

контролируется определенным участком, называемым геном-операто-

ром. Он служит как бы пусковым механизмом для функционирования

структурных генов. Ген-оператор локализован на крайнем отрезке струк-

турного гена или структурных генов, регулируемых им. ≪Считывание≫

генетического кода, т.е. формирование мРНК, начинается с промотора –

участка ДНК, расположенного рядом с геном-оператором и являющегося

точкой инициации для синтеза мРНК, и распространяется последовательно

вдоль оператора и структурных генов. Синтезированную молекулу мРНК,

кодирующую синтез нескольких разных белков, принято называть по-

лигенным (полицистронным) транскриптом. Координированный одним

оператором одиночный ген или группа структурных генов образует

оперон. В свою очередь деятельность оперона находится под контролирующим

влиянием другого участка цепи ДНК, получившего название гена-регу-

лятора. Структурные гены и ген-регулятор расположены в разных

участках цепи ДНК, поэтому связь между ними, как предполагают Ф. Жакоб и Ж. Моно, осуществляется при помощи вещества-посредника,

оказавшегося белком и названного репрессором. Образование репрес-

сора происходит в рибосомах ядра на матрице специфической мРНК,

синтезированной на гене-регуляторе (рис. 14.13). Репрессор имеет сродство

к гену-оператору и обратимо соединяется с ним в комплекс. Образование

такого комплекса приводит к блокированию синтеза мРНК и, следо-

вательно, синтеза белка, т.е. функция гена-регулятора состоит в том, чтобы

через белок-репрессор прекращать (запрещать) деятельность структурных

генов, синтезирующих мРНК. Репрессор, кроме того, обладает способ-

ностью строго специфически связываться с определенными низкомоле-

кулярными веществами, называемыми индукторами, или эффекто-

рами. Если такой индуктор соединяется с репрессором, то последний

теряет способность связываться с геном-оператором, который, таким об-

разом, выходит из-под контроля гена-регулятора, и начинается синтез

мРНК. Это типичный пример отрицательной формы контроля, когда

индуктор, соединяясь с белком-репрессором, вызывает изменения его тре-

тичной структуры настолько, что репрессор теряет способность связываться

с геном-оператором. Таким образом, биосинтез мРНК, контролирующий синтез белка в рибосомах, зависит от функционального состояния репрессора. Этот репрессор представляет собой тетрамерный белок с общей мол. массой около 150000. Если он находится в активном состоянии, т.е. не связан с индуктором, то блокирует ген-оператор и синтеза мРНК не происходит. При поступлении метаболита – индуктора – в клетку его молекулы связывают репрессор, превращая его в неактивную форму (или, возможно, снижают его сродство к гену-оператору). Структурные гены выходят из-под запрещающего контроля и начинают синтезировать нужную мРНК.

Эукариоты:

В клетках эукариот от ДНК исходят сигналы, которые в конечном счете передаются РНК-полимеразе: стимулируют или подавляют инициацию синтеза РНК. Источником сигналов служат локусы ДНК – регуляторные элементы. Регуляторные элементы, стимулирующие транскрипцию, называют энхансерами, а подавляющие – сайленсерами. Регуляторные элементы могут избирательно соединяться с белками-регуляторами. Белки, соединяющиеся с энхансерами, называют индукторами, а соединяющиеся с

Сайленсерами – репрессорами. Энхансеры, сайленсеры и белки-регуляторы вместе называют цис-элементами:

• Цис-элементы:

- регуляторные элементы (локусы ДНК)

Энхансеры

сайленсеры

- Белки-регуляторы:

Индукторы (белки, узнающие энхансеры)

Репрессоры (белки, узнающие сайленсеры )

• Трансеэлементы

- гормоны, метаболиты, ионы Ме, повышенная t

Цис-элементы действуют на гены только той молекулы ДНК, в которой они сами находятся. Энхансеры и сайленсеры могут могут располагаться вблизи от промотора и от стартовой точки транскрипции регулируемого гена, но могут быть и удалены от него, даже на тысячи нуклеотидных пар. Однако они могут быть сближены в результате изгибания молекулы ДНК.

Нематричный синтез полипептидов - синтез некоторых низкомолекулярных полипептидов может осуществляться не только без участия нуклеиновых кислот, но также и без участия рибосом. Таким образом синтезируются антибиотики грамицидин S, тироцидин, циклический пептид антибиотика микобациллина. Также таким образом синтезируются такие пептиды как пептидные гормоны, нейропептиды, тахикинины (в т.ч. субстанция Р) и пептиды иммунологического действия.

Концепция о дифференциальной активности генов в онтогенезе является феноменологической. Она не содержит ответа на вопрос о том, каков механизм такого дифференциального действия генов на разные онтогенетические (в нашем случае морфогенетические) процессы. Возможны 2 альтернативные гипотезы: 1) дерепрессия нужных генов определяется положением клеток в их пространственно организованной совокупности (морфогенетическом поле); 2) пространственная организация совокупности генов определяется специфической активностью генов цитодифференцировки. В пользу 1-й гипотезы говорит строгое постоянство замещений одних морфологических элементов другими при мутационных нарушениях детерминации, так что можно даже построить гомологические ряды таких замещений. Об определяющей роли пространственного фактора в канализации развития свидетельствуют также закономерности регенерации и дупликации морфологических элементов после частичного их удаления: произойдет ли регенерация недостающей части или дупликация сохранной зависит от того, какая часть исходного зачатка была иссечена. В то же время имеются и доводы в пользу определяющего влияния генов на пространственную организацию зачатков. Об этом свидетельствует, например, последовательное геноконтролируемое разделение зачатков конечностей у дрозофилы на районы, границы между которыми непроницаемы для клеток из соседних компартаментов. Об этом же говорит и автономность проявления морфогенетических генов в клонах маркированных этими генами клеток, независимо от генотипа окружающих клеток.

Влияние гормонов на действие генов несколько опосредовано, оно связано с влиянием на общие процессы метаболизма, а также влияние на репродуктивную функцию человека, в частности связана с выработкой и механизмом действия некоторых гормонов. Например, эстрогены связываются с внутриклеточными рецепторами и, подобно другим стероидным гормонам, регулируют транскрипцию структурных генов. Предполагается, что эстрогены индуцируют синтез свыше 50 различных белков, участвующих в проявлении физиологических эффектов эстрогенов.