20. Регуляция экспрессии генов у прокариот. Структурные и регуляторные гены. Особенности регуляции работы генов у эукариот.

!!! ТОЖЕ НУЖНО БЫ ПОЧИТАТЬ !!!

Геном организма любого биологического вида содержит:

1) репрессированные гены – это большая часть (90%) генов, находящаяся в неактивном состоянии;

2) дерепрессированные гены– около 10% генов, которые активно транскрибируются.

Среди дерепрессированной части генома различают: а) конститутивные гены; б) регулируемые гены.

Генетическими факторами регуляции транскрипции генов являются:

• гены-регуляторы – определяют синтез белков-регуляторов, способных в активном состоянии соединяться с генами-операторами;

• гены-операторы – они включают или выключают транскрипцию структурных генов, в зависимости от наличия или отсутствия связи с белком-регулятором.

Негенетические факторы регуляции транскрипции структурных генов:

• эффекторы – это вещества небелковой природы, расщепляемые или синтезируемые в клетке при участии различных ферментов.

В зависимости от того, как эффектор воздействует на активность генов, различают:

• индукторы, включающие транскрипцию генов;

• корепрессоры, выключающие транскрипцию генов.

Регуляция экспрессии генов у прокариот:

• Теория оперона.

• Изучение регуляции экспрессии генов на стадии транскрипции у прокариот привело к созданию в 1961 г. модели оперона (Жакоб и Моно).

• Оперон – это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы ферментов для какой-либо одной цепи биохимических реакций и регулирующаяся как единое целое.

• В состав оперона входят: промотор, ген-оператор, структурные гены, терминатор.

• Работой всего оперона управляет белок-регулятор, который синтезируется на гене-регуляторе (расположен на некотором расстоянии от оперона) и может присоединяться к гену-оператору, блокируя его.

• Особенностью прокариот является транскрибирование и-РНК со всех структурных генов оперона (полицистронная и-РНК), а затем она разрезается на фрагменты, соответствующие матрицам для синтеза отдельных ферментов.

• Начало функционирования лактозного оперона Escherichia coli обусловлено появлением в клетке индуктор – лактозы, выключение – расщеплением молочного сахара и высвобождением белка-репрессора.

• Синтез полицистронной мРНК обеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих в биохимическом процессе.

Особенности регуляции работы генов у эукариот:

Так как процесс реализации наследственной информации у эукариот многоступенчатый (транскрипция, процессинг, трансляция, посттрансляционные процессы) и растянутый во времени, то регуляция тонкой работы генов осуществляется на каждом из этапов:

1. На этапе транскрипции:

• Транскриптон – единица регуляции активности гена.

• Наличие множества генов-регуляторов, синтезирующих большое количество белков-регуляторов.

Такие гены располагаются в разных частях генома.

• Наличие генов-регуляторов, ускоряющих (энхансеры) и тормозящих (сайленсеры) транскрипцию.

• Наличие генов-регуляторов, которые могут управлять несколькими генами, оказывая различные эффекты.

• Индукторами транскрипции чаще всего выступают гормоны.

• Наличие гистонной регуляции – потеря связи ДНК с гистоном Н1 инициирует транскрипцию.

2. На этапе процессинга:

• Альтернативный сплайсинг.

• Интроны могут кодировать фермент (матюраза), который вырезает интроны и сшивает экзоны, следовательно, отвечает за правильность сплайсинга.

3. На этапе трансляции:

• На стадии инициации возникает блок, препятствующий связи и-РНК—т-РНК—формилметионин.

В результате транскрипция не происходит.

4. На этапе посттрансляционных процессов:

• Активной формы молекулы белка не образуется.

6. Антимутационные свойства генетического материала.

К биологическим антимутационным механизмамотносят: диплоидность генотипа, двойная спираль ДНК, вырожденность генетического кода, блокада редупликации ДНК, экстракопирование генов, репарация ДНК (фоторепарация, эксцизионная; дорепликативная, пострепликативная, репликативная).

Структурные и регуляторные гены:

К структурным генам относятся гены, которые контролируют (кодируют) первичную структуру матричных, или информационных, РНК, а через них последовательность аминокислот в синтезируемых полипептидах. Другую группу структурных генов составляют гены, определяющие последовательность нуклеотидов в полинуклеотидных цепях рибосомной РНК и транспортной РНК, т.е. структурные гены отвечают за передачу генетического кода от одного поколения клеток к другому, а также управляют синтезом белков.

Регуляторные гены контролируют синтез специфических веществ, так называемых ДНК-связывающих белков, которые регулируют активность структурных генов. Регуляторные гены взаимодействуют со структурными и регулируют все биохимические процессы в клетке, позволяя ей тем самым приспосабливаться к изменениям окружающей среды, например к изменениям количества и качества поступающих в нее питательных веществ. Если околоклеточная среда стабильна, регуляторные гены тормозят (репрессируют) структурные.

Структурные:

• Независимые

• Повторяющиеся

• Кластерные

Регуляторные:

• Промотор

• Оператор

• Регулятор

• Энхансер

• Сайленсер

• Спейсер

• Псевдоген

21. Изменчивость – фундаментальные свойства живого. Формы изменчивости: онтогенетическая, модификационная, наследственная. Онтогенетическая (эпигеномная) изменчивость как результат регуляции экспрессии генов.

Изменчивость – фундаментальные свойства живого.

Изменчивость - это одно из свойств живых организмов, которое проявляется в их способности изменяться в процессе жизни. Существует несколько форм изменчивости: наследственная (связанная с изменением генетического материала: мутационная и комбинативная) и ненаследственная (не связанная с изменением генетического материала: модификационная и онтогенетическая).

Формы изменчивости: онтогенетическая, модификационная, наследственная

Модификационная изменчивость - это изменение фенотипа без изменения генотипа. Модификации возникают в результате взаимодействия организма со средой обитания и носят, как правило, адаптивный (приспособительный) характер, способствуя выживанию как отдельных организмов, так и вида в целом. Пределы модификационной изменчивости ограничены генотипом и называются нормой реакции.

К статистическим закономерностям модификационной изменчивости относят вариационный ряд изменчивости признака и вариационную кривую.

Онтогенетическая (эпигенетическая) изменчивость - это изменения фенотипа организма в процессе его индивидуального развития (онтогенеза). Данная изменчивость связана с поэтапной реализацией генетической программы организма, контролируется генетически и зависит от внешней среды. Эта форма изменчивости обеспечивает рост и развитие организма в конкретных условиях среды.

Комбинативная изменчивость обусловлена возникновением новых комбинаций генетического материала в процессе мейоза и оплодотворения (при половом размножении), а также передачей генетического материала из клетки в клетку (при половом процессе - конъюгации). Комбинативная изменчивость обеспечивает генотипическое и фенотипическое разнообразие организмов, что способствует выживанию видов, и играет большую роль в видообразовании и селекции.

Мутационная изменчивость. В основе мутационной изменчивости лежат мутации (от лат. mutatio - изменение) - ненаправленные, стойкие количественные или качественные изменения генетического материала.

Онтогенетическая (эпигеномная) изменчивость как результат регуляции экспрессии генов.

Эпигенетическая (онтогенетическая) изменчивость - изменение экспрессии генов, вызванные механизмами, не затрагивающими последовательности ДНК. Переключение с одного признака на другой происходит не вследствие изменения структуры гена, а в силу регуляции генной активности. Механизмы, контролирующие избирательное включение-выключение генов, называются эпигенетическими, а процесс передачи этого контроля от клетки к клетке - эпигенетическим наследованием.

 В каждом эпигенетическом событии необходимо выделять три составляющих: (1) сигнал, который действует на ген-переключатель, (2) восприятие сигнала рецепторной областью гена с последующим выбором одного из альтернативных режимов функционирования и (3) поддержание выбранного состояния в ряду клеточных поколений с помощью генетических или внешних факторов, таких как температура, плотность популяции, наличие симбионтов и др.