5.2. Экспрессия генов (синтез белка)

Экспрессия (реализация) генетической информации происходит в процессе синтеза белков. Молекулы ДНК находятся в ядре клетки. Синтез белка происходит в цитоплазме в специальных образованиях - рибосомах. Для передачи информации о структуре белка к месту его синтеза на матрице ДНК, по принципу комплиментарности с помощью соответствующего фермента из свободных нуклеотидов синтезируется другой вид нуклеиновой кислоты – РНК (рибонуклеиновая кислота). Она называется матричной, или информационной. Молекулы РНК отличаются от молекул ДНК тем, что в состав их нуклеотидов входят:

1). Пятиуглеродный сахар – рибоза;

2). Вместо нуклеотидов с азотистым основанием тимин - нуклеотиды с азотистым основанием урацил (У), которые также комплиментарно взаимодействуют с аденином.

Информационная (иРНК) является одноцепочной и представляет собой точную копию участка + цепи молекулы ДНК, т. е. той цепи, которая несет на себе информацию о строении конкретного белка. иРНК мигрирует из ядра к рибосомам, где и начинается синтез белка. В синтезе белка принимает участие еще одна разновидность молекул РНК – транспортная (тРНК). Эта молекула сравнительно небольшая по количеству нуклеотидов и имеет в своей структуре два активных центра. Один способен связываться с одной из 20, но строго определенной аминокислотой. Второй представляет собой триплет, комплиментарный коду этой аминокислоты, т. е. допустим тРНК, способная связываться с аминокислотой – лейцином, код которой ГГГ, на своем активном центре должна иметь триплет ЦЦЦ. Благодаря такому строению, тРНК не только приносят необходимые для синтеза белка аминокислоты к рибосомам, но и обеспечивают порядок их соединения между собой в соответствии с тем порядком, в котором каждая тРНК взаимодействовала с соответствующим триплетом на иРНК.

Хотя ядро клетки несет информацию обо всех белках, синтезируемых всеми клетками организма в течение всей его жизни, большая часть генов в каждой данной клетке не экспрессируется. Благодаря этому и возникают различия между клетками разных тканей и органов. Этим же обеспечивается дифференциация клеток в процессе индивидуального развития организма. На сегодняшний день считается, что каждая клетка за время своего существования экспрессирует не более 10 % всей генетической информации.

Основная проблема современной генетики заключается в изучении механизмов регуляции экспрессии генов. По современным представлениям - экспрессия одних генов и отсутствие экспрессии других обеспечивается по принципу обратной связи, когда наличие или отсутствие в клетке белков или других химических соединений, обусловленных работой совершенно другой группы генов, является индуктором или ингибитором экспрессии данного гена.

5.3. Основные направления современной молекулярной генетики

Клонирование

Клон – поколения клеток или организм, полученные в результате последовательных циклов деления одной клетки. То обстоятельство, что любая клетка многоклеточного организма несет полную информацию о всем организме, сделала теоретически и практически возможным клонирование многоклеточных организмов из одной соматической клетки.

Каждая соматическая клетка любого организма несет в себе всю информацию, которая была в исходной оплодотворенной яйцеклетке. Современные методы позволяют пересаживать ядро одной из соматических клеток взрослого организма в неоплодотворенную яйцеклетку другого женского организма того же вида. Вернув эту яйцеклетку в матку той самки, у которой она была взята, можно рассчитывать на дальнейшее обычное протекание беременности и родов. Поддерживание соматических клеток и изъятой яйцеклетки жизнестойкими и функциональный перенос ядра из одной клетки в другую отработаны недостаточно и положительные результаты не превышают 10%. Но главным препятствием на пути к дальнейшему широкому проведению клонирования стало не это. Как показали наблюдения за первыми клонированными животными, они отличаются от своих сверстников, полученных путем обычного оплодотворения и рождения, замедленным развитием, уступают им физически, имеют слабое здоровье и низкую активность иммунной системы. Точно также они уступают параметрами донору клонированной клетки в их возрасте. Этому находят следующее объяснение: каждая соматическая клетка имеет определенный потенциал последовательных делений или генераций, которые естественно меньше, чем у обычной оплодотворенной яйцеклетки.

В процессе многочисленных делений в соматических клетках накапливается искажение наследственной информации, т. е. мутации, что снижает жизнеспособность будущего организма.

Поэтому на сегодняшний день продолжение работ по клонированию имеет исключительно научную, а не практическую значимость.

Генная инженерия. Под ней понимают операции по внедрению в молекулы ДНК одного организма генов другого организма. В 70-е годы 20-го века был открыт фермент, позволяющий синтезировать 2-цепочный участок молекулы ДНК на основании _иРНК, т. е. воссоздать ген того белка, который синтезируется в данный момент в клетке.

С помощью других ферментов любую ДНК можно сначала разрезать в участках с определенными нуклеотидами, а затем опять сшить. В эти разрезы можно вставлять имеющиеся гены. Т.о. в ДНК одного организма вводят ген другого.

Первые успехи генной инженерии были связаны с получением ряда жизненно важных медицинских препаратов: генно-инженерного инсулина, интерферона. Инсулин - гормон поджелудочной железы, контролирующий расщепление сахара в сыворотке крови. При его недостатке развивается сахарный диабет и больной вынужден постоянно вводить себе препараты инсулина. Его источником была поджелудочная железа крупного рогатого скота. Эти препараты были дороги, обладали недостаточной активностью, многим больным были противопоказаны. Ген человеческого инсулина удалось внедрить в молекулы ДНК бактерий кишечной палочки. Бактерии давно можно выращивать тоннами в промышленных условиях. Т.о. были получены препараты практически человеческого инсулина, но произведенного бактериями, качество которого гораздо выше препаратов, выделенных из ткани животных. Аналогично были получены препараты интерферона – вещества, вырабатываемого в клетках человека, для защиты от вирусных инфекций и стимулирования реакций иммунитета.