3.12. Регуляция работы генов

3.12.1. Основные механизмы работы генов

Было замечено, что некоторые ферменты у дрожжей и бак­терий образуются в клетках только при выращивании их на определенных питательных средах. Например, при выращи­вании кишечной палочки на питательной среде, не содержа­щей лактозы, ее клетка содержит незначительное число (меньше пяти) молекул фермента лактазы, разлагающего лак­тозу на глюкозу и галактозу. При добавлении в питательную среду лактозы бактериальные клетки в течение 2-3 мин син­тезируют большое количество лактазы (свыше 5 тыс. моле­кул). При удалении из среды лактозы синтез лактазы быстро прекращается. Вещества, индуцирующие синтез ферментов, которые их разлагают, называются индукторами (в дан­ном примере индуктором является лактоза).

Подобные механизмы используются клеткой для выклю­чения синтеза нужных ей соединений при их наличии в пита­тельной среде. Например, аминокислота триптофан синтези­руется при участии фермента тритпофансинтетазы. Однако если в среде, на которой выращиваются бактерии, присутст­вует триптофан, синтез фермента немедленно прекращается. Это явление называется репрессией, а вызывающий его фактор (в нашем примере — триптофан) — корепрессором.

3.12.3. Регуляция работы генов у эукариот

Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г.П. Георгиевым (1972). Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но механизмы ее по сравнению со схемой регу­ляции у прокариот более сложны. Единица транскрипции у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной и информативной зон. Неинформативная (акцепторная) зона начинается промотором с инициатором транскрипции. Далее следуют группа генов-операторов, за ко­торыми расположена информативная зона. Информативная зона образована, как правило, одним структурным геном, в конце которого расположен терминатор транскрипции.

Структурные гены эукариот имеют вставки из неинформа­тивных, "молчащих", участков ДНК - интронов. Информа­тивные участки структурных генов называются экзонами. Один структурный ген может содержать десятки экзонов и интронов. Например, ген миодистрофии Дюшенна человека содержит 85 экзонов.

Работу транскриптона регулируют несколько генов-регу­ляторов, дающих информацию для синтеза такого же количе­ства белков-репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (например, гормоны). Когда индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-полимераза разрывает водородные связи между двумя цепочками ДНК транскриптона, начиная с инициатора транскрипции. По правилу комплементарности на кодирую­щей цепочке сначала синтезируется большая молекула проинформационной РНК (про-и-РНК), списывающая информацию (порядок нуклеотидов) как с информатив­ной, так и с не информативной зоны. В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг - ферментативное разру­шение неинформативной части РНК и расщепление фермен­тами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Молекулы и-РНК формируются посредством сплайсинга (сплавления) отдельных инфор­мативных фрагментов ферментами лигазами. Этот процесс называется созреванием. В начале зрелой и-РНК имеется кодон-инициатор, а в конце - кодон-терминатор трансляции. В каждый определенный момент сплавляться могут фрагмен­ты и-РНК, соответствующие разным экзонам структурного гена. Благодаря этому один структурный ген может детерми­нировать синтез нескольких разных белков, т. е. он является полицистронным, а зрелая и-РНК — моноцистронна (определя­ет синтез конкретного полипептида). Далее зрелая и-РНК вы­ходит из ядра и поступает в рибосомы, где и происходит син­тез соответствующих белков-ферментов, расщепляющих ин­дуктор/ Включение и выключение транскриптона осуществ­ляется принципиально также, как и оперона (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Схема регуляции транскрипции у эукариот

Таким образом, у эукариот синтез и-РНК и ее трансляция происходят независимо друг от друга в разное время в различ­ных частях клетки: сначала транскрипция и созревание в яд­ре, а затем трансляция в рибосомах цитоплазмы.

В геноме эукариот встречаются уникальные последователь­ности нуклеотидов (одна в геноме), составляющие от 15 до 98% всего генома (у человека — 56%). Уникальные последова­тельности входят в состав структурных генов (несут информа­цию о структуре полипептидов), причем более половины из них — неактивные (в клетках разных тканей "работают" раз­личные блоки генов).

Наличие неинформативных участков (интронов) в генах эукариот — универсальное явление. Считается, что интроны содержат запасную информацию, обеспечивающую изменчи­вость. В геномах эукариот также содержатся последователь­ности нуклеотидов, которые многократно повторяются (де­сятки, сотни и даже миллионы раз). Повторяющиеся последовательности нуклеотидов выполняют разнообразные функции: являются промоторами, инициаторами, терминаторами, регулируют репликацию молекул ДНК, участвуют в кроссинговере и т. д.

В геномах эукариот содержатся также повторяющиеся последовательности нуклеотидов с непостоянной локализацией (способны передвигаться вдоль молекулы ДНК) — транспозоны, которые могут изменять активность структурных генов, расположенных рядом.

Жизнедеятельность организма обусловлена в основном функциональной активностью уникальных генов, которая в свою очередь зависит от состояния внутренней среды орга­низма (например, от гормонального фона) и условий окружа­ющей среды.