9.3. Структура гена: оператор и оперон

Все работающие участки ДНК по их функциям разделяются на

(1) структурные гены, в которых закодирована информация для синтеза ферментов и структурных белков,

(2) гены, содержащие информацию для синтеза тРНК,

(3) рРНК. Кроме того выделяют

(4) спейсеры - разделяющие участки между генами, а так же специфические регуляторные участки

(5) промотор и

(6) оператор.

Перед структурными генами имеются специфические последовательности нуклеотидов, выполняющие регуляторную функцию, - регуляторная область. Она содержит два участка, различающихся по своим функциям. Первый участок, получивший название промотор выполняет две функции. Во-первых, промотор служит тем местом где к ДНК присоединяется РНК-полимераза, прежде чем начать перемещаться вдоль ДНК. Во-вторых, последовательность оснований в промоторе определяет какая из цепей ДНК присоединит к себе РНК-полимеразу. Таким образом, от промотора зависит какая из цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза мРНК.

Второй участок – оператор, способен присоединять к себе регуляторные белки, который является продуктам специальных генов-регуляторов. Оператор может находиться в двух состояниях: открытом - свободном от репрессора и закрытом, когда он ассоциирован с белковой молекулой. В последнем случае процесс транскрипции не возможен. Интереснейшей особенностью оператора является наличие вращательной симметрии второго порядка относительно оси помеченной точкой:

5' T G G A A T T G T G A G C G G A T A A C A A T T 3'

o

3' A C C T T A A C A C T C G C C T A T T G T T A A 5'

Комплекс структурного гена и его регуляторных областей получили название – оперон.

9.4. Внеядерная наследственность

Число явлений не подчиняющимся законам менделевской генетики растет с каждым годом. Классическими примерами являются отклонения, касающиеся хлоропластов растений, каппа частиц парамеций, чувствительности к CO₂ у дрозофилы, "petite"-мутации дрожжей, мужская стерильность у растений.

Представления о внеядерной наследственности получили признание, когда было показано, что хлоропласты и митохондрии содержат собственные молекулы ДНК, отличающиеся от ДНК клетки эукариот. Обнаружение ДНК в различных органоидах позволило рассматривать цитоплазматическую наследственность как своего рода добавочную наследственность. Внеядерные факторы, материальный субстрат которых уже известен, можно сгруппировать следующим образом:

1. факторы, находящиеся в митохондриях и хлоропластах,

2. факторы, локализованные в менее распространенных структурах, аналогичных симбионтам, вирусам и т.д.,

3. факторы, принадлежащие к особым структурам - бактериальным плазмидам. Эти разнообразные факторы встречаются в самых различных организмах - у бактерий, грибов, простейших, водорослей, покрытосеменных растений и высших животных.

Внеядерные факторы, связанные с митохондриями исследованы на примере ограниченной группы животных: три вида грибов (Saccharomyces cerevisiae, Neurospora crassa, Aspergillus nidulas) и один вид простейших - Paramecium aurelia. Изученные явления относятся к двум группам, это дефекты дыхательной системы и устойчивость к лекарственным препаратам.

Образование колоний "petite" в культурах пекарских дрожжей впервые было описано в 1949 году Эфрусси с сотрудниками. Штаммы petite-мутантов растут очень медленно, образуя на чашках с агаром мелкие колонии с низким уровнем дыхания. Данные организмы, используя механизм брожения, растут даже в отсутствии кислорода. Petite-мутации возникают спонтанно гораздо чаще (примерно 1 мутация на 500 клеток), чем большинство генных мутаций, причем при обработке мутагенами можно добиться почти 100% выхода мутантных клеток. Было показано, что мутанты различаются по способу наследования. Если расщепляющиеся мутации, по-видимому, обусловлены мутациями в генетическом аппарате ядра и наследуются согласно законам Менделя, то нейтральные (p^o) и супрессивные (p^-) наследуются иначе. Так скрещивание p^o-мутантов с нормальными клетками во всех последующих генерациях дает только нормальное потомство. Скрещивание же p^--мутантов с нормальными дрожжами приводит к расщеплению потомства на нормальные и мутантные в разных соотношениях. В случае высокосупрессивных штаммов все потомство получается мутантным.

Все это заставило рассматривать нейтральные и супрессивные формы petita аномальными по какому то цитоплазматическому фактору. Позднее было показано, что явление цитоплазматических petite-мутантов обусловлено изменением митохондрий, как морфологическим (слабое развитие внутренних мембран), так и биохимическим (отсутствие цитохромов а и в). Сейчас известно, что в результате нейтральных petite-мутаций утрачивается вся митохондриальная ДНК, а в случае супрессивных штаммов митохондрии имеют неполный митохондриальный геном с большим числом делеций и дупликаций.

Аналогичная ситуация наблюдается у Neurospora у которой известна форма "poky", характеризующаяся медленным ростом и низким уровнем дыхания. Особенностью данного вида является строго "материнское" наследование данной мутации, связанное с большим количеством цитоплазмы поступающей в зиготу от протоперитециев, чем от конидиев.

У Paramecium aurelia описаны митохондриальные мутанты, устойчивые к антибиотикам. Эти мутанты возникают спонтанно, если парамеций поместить в среду, содержащую антибиотики в концентрациях, которые подавляют их рост, но не убивают их. По истечении некоторого времени часть особей вдруг снова начинают расти с нормальной скоростью и оказываются устойчивыми к лекарственному препарату. Митохондриальная локализация соответствующих наследственных факторов была показана в экспериментах с инъекцией митохондрий от устойчивых особей к чувствительным. При этом было выяснено, что происходит замещение митохондрий реципиента на митохондрии донора.

Подобная устойчивость к антибиотикам известна для дрожжей и линий клеток человека и мышей в культуре.

Особенности наследования цитоплазматических наследственных факторов, связанных с митохондриями, обусловлены спецификой наследования этих органел и особым механизмом репликации ДНК митохондрий. В зиготах многих организмов (кроме дрожжей) митохондрии почти или совсем не сливаются. У высших животных в спермиях может содержаться огромное число митохондрий, но после вхождения в яйцеклетку они набухают и разрушаются или утрачивают свой геном. Все это приводит к наследованию цитоплазматических признаков только по женской линии.

У дрожжей, наоборот, образование зиготы включает полное смешение содержимого двух гаметических клеток, их митохондрии участвуют в росте гибридных клеток и рекомбинация в этом случае явление обычное.

Необходимо признать, что наши знания о реальных механизмах функционирования митохондриальной генетической системы еще чрезвычайно скудны. По-видимому, у дрожжей рекомбинация происходит так, что все митохондриальные гены сегрегируются случайным образом. Тогда как у Paramecium рекомбинации, вероятно, совсем не происходит. Таким образом, мы сталкиваемся с двумя крайностями: частые рекомбинации у одного организма и полное их отсутствие у другого. Если эта ситуация действительно имеет место, то объяснить ее значение не легко.

Внеядерные факторы, связанные с хлоропластами. Первые сообщения о неменделевском наследовании мы находим в работах по изучению пестролистности у высших растений. Эти работы были опубликованы в 1909 году Бауром и Корренсом. С тех пор была проделана огромная работа по анализу этого явления.

Пестролистность пеларгонии (Pelargonium) обусловлена распределением зеленых клеток с нормальными пластидами и белых или желтых клеток, содержащих дефектные пластиды. Оказалось, что основной контроль над распределением клеток осуществляется со стороны генома ядра и пластид женского родителя, а мужской родитель оказывает только незначительное влияние, даже если пластиды передаются от него более эффективно, чем от женского родителя.

Однако трудности получения специфических пластидных мутаций ограничивают исследование генетических взаимодействий, происходящих в геноме хлоропластов у высших растений. По этой причине наши знания о генах хлоропластов основаны главным образом на изучении одноклеточной водоросли Chlamidomonas. Ее вегетативная клетка содержит единственное, обычно гаплоидное ядро и один хлоропласт. После формирования зиготы сливаются два гаплоидных ядра, а также два хлоропласта. Сэджер изучала на этом виде генетику признака - устойчивость к стрептомицину - который не подчиняется наследованию по законам Менделя. Зиготы, полученные от скрещивания стрептомицин устойчивых мутантов с клетками дикого типа, дают потомство признаки которого зависят от типа спаривания. Если родитель выступает как плюс-гамета, то почти все потомство будет стрептомицин-устойчивым, если же он - минус-гамета, то все потомство будет чувствительным к стрептомицину. Считается, что устойчивость к стрептомицину и другие подобные мутации обусловлены генами, локализованными в хлоропластах. Однако эту точку зрения разделяют не все.

Сложность структур мембран хлоропластов, как и сложность взаимоотношений ядерного генома и генома хлоропластов обусловливают неполноту наших знаний. И мы вынуждены констатировать, что только начинаем понимать сложность биогенеза этих структур.

Факторы наследственности, связанные с эндосимбионтами. Некоторые типы эндоплазматической наследственности определяются присутствием в цитоплазме эндосимбионтов. Эндосимбионты в гораздо меньшей степени зависят от ядерной генетической системы организма-хозяина, чем митохондрии и пластиды. Моделью генетического значения эндосимбионтов могут служить каппа-частицы инфузории Paramecium aurelia.

Парамеции-убийцы (киллер-парамеции) юыли открыты в 1938 году Соннеборном, когда он обнаружил, что некоторые особи P.aurelia выделяют в воду агент, способный убивать другие чувствительные к нему особи парамеций. Было показано, что способность убивать передается по наследству через цитоплазму, а ответственный за это цитоплазматический фактор был назван фактором каппа. Относительно недавно доказано, что каппа-частицы это бактерии (Caedobacter taeniospiralis). В одной и той же парамеции часто присутствуют частицы двух типов - яркие (обычно их мало) и неяркие. Причем именно яркие каппа-частицы превращают парамеций в киллеров. Число каппа частиц на парамецию может увеличиваться или уменьшаться до полного их исчезновения, при котором происходит "исцеление", то есть убийца превращается в чувствительную клетку. На поверхности ярких каппа-частиц обнаружены вирусоподобные частицы различных видов.

Благодаря присутствию ярких форм каппа-частиц парамеции превращаются в киллеров, летальный эффект которых проявляется при воздействии на чувствительных парамеций, у которых отсутствуют каппа-частицы. Гибель наступает после поглощения чувствительными особями одной или нескольких каппа-частиц, их производных или частей. Механизм этого явления не совсем ясен, возможно, что летальным агентом служат вирусы. Однако, смерть клеток не сопровождается их лизисом. Присутствие каппа-частиц в устойчивых клетках не оказывает отрицательного влияния на организм хозяина. Единственный отмеченный результат их присутствия состоит в том, что парамеция становится устойчивой к воздействию внешних каппа-частиц (эффект характерный для лизогенных вирусов).

В 1943 гоуд Соннеборн (Sonnerborn) провел генетический анализ киллер-парамеций. Скрещивание показало, что в геноме парамеций имеется ген, ответственный за восприятие каппа-частиц. Замещение гена "К" на аллель "k" приводит к необратимой потере каппа-частиц, которые не восстанавливаются, если путем скрещивания вновь ввести доминантный аллель (рис. 9.5). Каппа-частицы могут вновь появиться внутри парамеций только после их введения извне - при аномольном переносе цитоплазмы во время коньюгации или при заражении каппа-частицами из среды. Интересно также отметить, что парамеции утратившие ген "К", но утратившие каппа-частицы, не убивают другие парамеции и не обладают иммунитетом к летальному действию других каппа-частиц. Таким образом, присутствие гена "К" необходимо, но недостаточно для развития каппа-частиц.

Список литературы.

Бил Дж., Ноулз Дж. Внеядерная наследственность. М.: Мир. 1981.

Льюин Б. Гены. М.: Мир. 1987.

Основы общей биологии. М.: Мир. 1982.

Стент Г., Кэлиндер Р. Молекулярная генетика. М.: Мир. 1981.

Общая биология

Лекция 10

Регуляция активности генов