3.5. Особливості реалізації генетичної інформації в клітині
Молекулярний механізм реалізації спадкової інформації, завдяки якому ген виявляє свій потенціал конкретною фенотипною ознакою організму називається генною експресією. Процес експресії гена складається з кількох етапів:
Код гена ДНК перетворюється в код про-іРНК. Перший етап експресії називається транскрипцією.
Складна молекула про-іРНК зазнає процесингу (рис.3.4), внаслідок чого значно зменшується за розмірами. Утворюється зріла ІРНК, зчитування інформації з якої спрощується. Біологічний зміст процесингу - полегшення доступу до спадкової інформації.
Інформаційна РНК за участю тРНК вибирає необхідні амінокислоти і зв'язує їх на рибосомі відповідно до послідовності амінокислоту молекулі білка. Цей процес називається трансляцією.
3. Синтезований поліпептид зазнає модифікації і впливає на морфологічну або функціональну ознаку (фенотип) клітини або організму. Цей процес називається експресією.
Всі етапи експресії генів відбуваються з використанням енергії під впливом десятків ферментів. Основою експресії генів є молекулярні процеси транскрипції, процесингу, трансляції і модифікації.
У процесі транскрипції бере участь не тільки інформативна частина гена, але й інші регуляторні і структурні ділянки. Про-іРНК містить багато елементів, які характерні для ДНК. Процесинг істотно модифікує про-іРНК, яка перетворюється на ІРНК і містить значно менше структурно-функціональних елементів. Внаслідок трансляції на основі іРНК утворюються молекули цілком іншої природи - білки, що не мають нічого спільного з нуклеїновими кислотами і мають інші властивості та організацію. Модифікація поліпептиду призводить ще до одного природного явища-появи складної просторової організації молекули білка. Відбувається перехід лінійної інформації ДНК і РНК у просторову організацію протеїну, що, зокрема, є складовою специфічної просторової взаємодії молекул у живому організмі, яка є основою життя.
Генетичний апарат це тонко регульована система. Відомо, що гени не проявляють постійної активності. Ген перебуває в неактивному стані, але коли є необхідність, він активується, а це, зокрема, зумовлює синтез відповідного білка. Таким чином, клітинам властивий механізм, що контролює кількість будь-якого ферменту в певний проміжок часу. Синтез білків регулюється генетичним апаратом і факторами внутрішнього і зовнішнього середовища.
Концепція оперону в регуляції генів у прокаріотів. Молекулярні і генетичні механізми регуляції білкового синтезу в прокаріот були розроблені французькими біологами Ф.Жакобо та Ж.Моно у 1961р., і сформульовані в гіпотезі оперону, що одержала повне підтвердження в результаті прямих біохімічних досліджень. Сутність цієї теорії зводиться до «виключення» чи «включенню» генів як функціонуючих одиниць, до можливості або неможливості прояву їх здатності передавати закодовану в структурних генах ДНК генетичну інформацію для синтезу специфічних білків. Ця теорія доведена в дослідах на бактеріях і отримала широке визнання, хоча в еукаріотичних клітинах механізм регуляції синтезу білка ймовірно більш складний.
Всі гени знаходяться в великій самовідтворюючій молекулі ДНК. Кожен з них являє собою невелику ділянку такої молекули, але за своїми функціями гени не однакові. Перша група генів - структурні (визначають структуру білкової молекули); друга-регуляторні (регулюють та контролюють дію перших) (рис.3.6.). Структурні гени розташовані поряд один з іншим. Вони являють собою єдиний блок-оперон і виконують послідовні етапи синтезу одного ферменту.
Рис. 3.6.Функціонування лактозного оперону Е.coli : І-репресія; ІІ-індукція. (Пішак В.П., Бажора Ю.І., Брагін Ш.Б. та ін., 2004.- С.-106.)
Відповідно моделі будови хромосоми (Ф.Крик) структурна зона оперону, що несе інформацію для синтезу білків, розташована у міждисковій частині хромосоми, регуляторна-входить у склад дисків. Гени в опероні чи всі активні, або всі без дії. Функції включення і виключення виконує ген-оператор, який розташований на самому початку оперона. «Зчитування» генетичного коду, тобто формування мРНК, починається с промотора-ділянки ДНК, що є точкою ініціації для синтезу мРНК, і поширюється послідовно уздовж оператора і структурних генів. Координований одним оператором одиночний ген або група структурних генів утворює оперон. У свою чергу діяльність оперона перебуває під контролюючим впливом іншої ділянки ланцюга ДНК-геном-регулятором. Оскільки структурні гени і ген-регулятор знаходяться в різних ділянках ланцюга ДНК, зв'язок між ними, як припускають Ф.Жакоб і Ж.Моно, здійснюється за допомогою речовини-посередника-репрессора. Ген-оператор до того часу, поки до нього не приєднається молекула репресора, є включений. Репресор являє собою речовину білкової природи. Він синтезується геном-регулятором. Репрессор є споріднений до гена-оператора і поєднується з ним у комплекс. Утворення такого комплексу призводить до блокування синтезу мРНК і, отже, синтезу білка. Як тільки репресор пов'язується з геном-оператором увесь оперон виключається і його гени стають неактивними. Якщо репресора немає, то структурні гени включаються і відбувається синтез молекул РНК, які переносять в цитоплазму інформацію для синтезу всього набору ферментів, які утворює даний оператор. Робота гена-регулятора, який утворює молекули репресора, контролюється цитоплазмою клітини і залежить від зовнішніх умов.
Отже, оперон-це послідовність спеціальних функціональних сегментів ДНК та структурних генів, які кодують синтез певної групи білків одного метаболічного ланцюга, наприклад, ферментів гліколізу. Регульована одиниця транскрипції складається з наступних структурних частин: 1) ген-регулятор, який контролює утворення білка-репресора; 2) промотор-ділянка ДНК, до якої приєднується РНК-полімераза і з якої розпочинається транскрипція; 3) оператор-ділянка промотора, яка може зв'язувати репресор; 4) структурні гени-ділянки ДНК, які кодують іРНК конкретних білків; 5) термінаторна ділянка ДНК, яка несе сигнал про зупинку транскрипції.
Як зазначалося раніше, в еукаріотичних клітинах механізм реалізації генетичного матеріалу більш складний ніж у прокаріотів. Але можна відзначити наступні особливості експресії в еукаріотів: а) у клітинах еукаріотів ядерна оболонка просторово розділяє процеси транскрипції і трансляції, хромосоми знаходяться в ядрі, а рибосоми в цитоплазмі. Експресія генів в еукаріотів включає набагато більше етапів. Тому в них є такі механізми регуляції, які відсутні в клітинах прокаріотів, наприклад, процесинг; б) контроль експресії генів в еукаріотів здійснюється також на стадії трансляції (наприклад, шляхом впливу на фактор ініціації трансляції,тому, навіть за наявності в цитоплазмі ІРНК, синтезу на ній може не відбуватися); в) деякі гени еукаріотів декілька раз повторюються, а певні ділянки ДНК взагалі не відіграють генетичної ролі, наприклад, сателітна ДНК. Унікальні властивості геному еукаріотів у різних видів складають 15-98%. У людини унікальні послідовності нуклеотидів складають 56%; г) у геномах еукаріотів містяться послідовності, що повторюються кілька десятків, сотень і навіть мільйонів раз. Вони знаходяться серед унікальної ДНК. До таких послідовностей належать елементи з непостійною локалізацією. їх називають транспозонами, або мобільними елементами (біологічна роль: регуляції відтворення ДНК, участь у кросинговері, позначення межі між екзонами й інтронами тощо); д) на експресію впливає ампліфікація генів-багатократне збільшення числа копій однакових генів з метою інтенсифікації синтезу молекул, необхідних на певний момент часу (наприклад, послідовності ДНК, що повторюються, забезпечують сотні копій генів рРНК і тРНК); ж) у деяких еукаріотів не встановлено повної оперонної організації генетичного матеріалу; з) наявність в геномі еукаріотів спеціальних "підсилювальних" сегментів ДНК-енхансерів (їх функція-участь в регуляції активності структурних генів); к) регуляція активності генів еукаріотів пов'язана з утворенням комплексу ДНК з білками хроматину.
Контрольні запитання і завдання
1.Що таке кодон і відкрита рамка зчитування? Скільки існує кодонів?
2.Опишіть структуру хроматину.
3.Що таке змістовний і антизмістовний ланцюги? Який із них є матричним?
4. Що таке генетичний код? Назвіть його основні характеристики.
5.Сформулюйте кілька визначень гена. Поясніть обмеження, які має кожне з них.
6. В чому полягає сутність сучасної теорії гена.
7. Назвіть особливості організації генів еукаріотів у хромосомах.
8. Охарактеризуйте етапи білкового синтезу.
9.Яку роль у синтезі білків виконують рибосома та тРНК?
10. Сутність теорії оперона (регуляція білкового синтезу).
11. Які функції гена-оператора, промотора, термінатора, регулятора, білка-репресора в моделі оперона?
12.Що таке мобільні генетичні елементи?
13.У чому полягають особливості експресії генів у еукаріотів?