Регуляция генной активности

Разработка теории оперона Ф. Жакобом и Ж.Моно (1961 г.) дала представление о регуляции генной активности в клетке.

Энергетических ресурсов клетки не хватает для одновременного осуществления транскрипции и трансляции всех структурных генов. Поэтому постоянно экспрессируются только те гены, которые кодируют белки, поддерживающие основные клеточные функции, а транскрипция остальных структурных генов регулируется. Когда у клетки возникает потребность в каком-то белке (белках), то инициируется транскрипция соответствующего структурного гена (генов), а когда такая потребность исчезает, транскрипция выключается.

Оперон – единица генетической экспрессии, состоящая из одного или нескольких связанных друг с другом структурных генов, а также промотора и оператора.

Интенсивность транскрипции определяется промотором, который распознается ферментом РНК-полимеразой и указывает место, где должна начинаться транскрипция. Перед группой структурных генов находятся общий для них промотор и общийоператор.Интенсивность транскрипции регулируется в результате взаимодействия оператора сбелком-репрессором, который, присоединяясь к оператору, блокирует транскрипцию. В зависимости от ситуации в клетке репрессор закрывает или открывает оператор и начинается транскрипция гена.

Например, Lac-оперон E. coli содержит 3 гена, отвечающие за образование белков, участвующих в переносе в клетку дисахарида лактозы и в ее расщеплении:

1) Z-β - галактозидаза (расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу).

2) Y-β- галактозидпермеаза (переносит лактозу через мембрану клетки).

3) А - тиогалактозидтрансацетилаза (ацетилирует галактозу).

В отсутствие в клетке лактозы lac-оперон выключен. Активный белок - репрессор, кодируемый в моноцистронном опероне (LacI) , не имеющем оператора, связан с оператором lac-оперона. Поскольку оператор перекрывается с промотором, даже посадка РНК-полимеразы на промотор невозможна. Как только некоторое количество лактозы попадает в клетку, две молекулы субстрата (лактозы) взаимодействуют с белком - репрессором, изменяют его конформацию - и он теряет сродство к оператору. Тут же начинается транскрипция lac-оперона и трансляция образующейся mРНК; три синтезируемых белка участвуют в утилизации лактозы. Когда вся лактоза переработана, очередная порция репрессора, свободного от лактозы, выключает lac-оперон (рис. 27).

Рис. 27. Регуляция транскрипции у прокариот.

Регуляция транскрипции у эукариот осуществляется с помощью специфических белков – факторов транскрипции. В отличие от прокариот у эукариот опероны в большинстве своем отсутствуют, т.е. каждый эукариотический структурный ген имеет свой собственный набор регуляторных элементов.

Изменчивость

Бактерии обычно гаплоидны, т.е. имеют только один набор генов. Полный набор генов, которым обладает микробная клетка, составляет генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов у индивидуумов называетсяфенотипом.Сходные по генотипу микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, т.е. способу проявления наследственных признаков. Фенотипические различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу, называютмодификациями (средовая, ненаследственная изменчивость).Она обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, данные изменения исчезают.

Однако существует и наследственная (генотипическая) изменчивость, связанная с мутациями. Несмотря на то, что репликация обеспечивает очень точную передачу информации от материнских молекул ДНК дочерним, в этом процессе могут происходить изменения –мутации. Основу мутации составляют изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, полная или частичная их утрата, т.е. происходит структурная перестройка генов, проявляющаяся фенотипически в виде измененного признака.

Мутации происходят спонтанно, т.е. случайно. Выделяют генные и хромосомные мутации, различающиеся по числу мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК. Генные мутации обычно затрагивают только один ген, тогда как хромосомные распространяются на несколько генов.

Генные мутации, при которых происходит химическое изменение лишь одного нуклеотида, называют точечными. К ним относится вставка лишнего нуклеотида. Возникшие в результате такой мутации мутанты часто по признакам «возвращаются» к исходной дикой форме благодаря обратной мутации – реверсии.

Хромосомные мутации связаны с крупными перестройками в отдельных фрагментах ДНК. Они проявляются в результате выпадения меньшего или большего числа нуклеотидов (делеция), или поворота участка ДНК на 180° (инверсия), или повторения какого-либо фрагмента ДНК (дупликация).

Диссоциация – особая форма изменчивости, в основе которой лежат мутации, приводящие к расщеплению признаков.

Кроме спонтанных мутаций, могут возникать и индуцированные мутации – мутации, вызываемые искусственно при помощи химических или физических агентов, которые поддаются контролю. Мутагенным действием обладают многие химические вещества, такие как нитрит, гидроксиламин, алкилирующие агенты, а также радиация, УФ и ионизирующее излучения и т.д.

Мутационная изменчивость является важнейшей предпосылкой для успешной селекции.