МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ
Розділ 1
БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ
1.2. Молекулярно-генетичний і клітинний рівні організації життя
1.2.3. Спадковий апарат еукаріотичних клітин і його функціонування на молекулярному рівні
1.2.3.10. Реалізація генетичної інформації в клітині, експресія генів
Генна експресія – це молекулярний механізм реалізації спадкової інформації, завдяки якому ген виявляє свій потенціал конкретною фенотипною ознакою організму.
Процес експресії гена складається з кількох етапів (рис. 1.64):
1. Код
2. Складна молекула про-іРНК зазнає “процесингу”, внаслідок чого значно зменшується за розмірами. Утворюється зріла ІРНК, зчитування інформації з якої спрощується. Біологічний зміст процесингу – полегшення доступу до спадкової інформації.
3. Інформаційна РНК за участю тРНК вибирає необхідні амінокислоти і зв’язує їх на рибосомі відповідно до послідовності амінокислот у молекулі білка. Цей процес називається трансляцією.
4. Синтезований поліпептид зазнає модифікації і впливає на морфологічну
Рис. 1.64. Етапи експресії бета-ланцюга гена гемоглобіну.
Всі етапи експресії генів відбуваються з використанням енергії під впливом десятків ферментів.
Процес експресії наведений на рис. 1.64 на прикладі гена Р-ланцюга гемоглобіну. 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, 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.
Регуляція експресії генів. 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.
У 1961 р. французькі біологи Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували механізм регуляції генів, який було названо гіпотезою оперона. Вони виявили, що додавання лактози до культури Е. сої індукує утворення відразу трьох ферментів: галактозидази, пермеази і трансацетилази, необхідних клітині для розщеплення лактози до глюкози і галактози. Гени, що кодують ці ферменти, межують один з одним у хромосомі, їх назвали структурними генами, або цистронами. Вони транскрибуються РНК-полімеразою в одну довгу ІРНК, що має кодони для всіх трьох ферментів. Інформаційна РНК, що транскрибується з декількох генів, називається поліцистронною. Функція цих цистронів контролюється ділянкою молекули ДНК, яка називається оператором (рис. 1.65). Операторний локус – це певна ділянка послідовності нуклеотидів довжиною 27 пар основ. Даний сегмент ДНК розташований між промотором, до якого перед початком транскрипції приєднується РНК-полімераза, і початком першого структурного гена (5-галактозидази. Цистрон синтезує ІРНК, якщо оператор увімкнений, і припиняє синтез, коли він вимкнений. Оператор вмикається або вимикається білком, який назвали репресором, синтезованим регуляторним геном. Репресор або зв’язується з оператором і пригнічує його активність, або не зв’язується з ним, дозволяє виявляти активність структурним генам. Таким чином, репресор є негативним регулятором. Усі названі елементи функціонування генів входять до складу оперона.
Рис. 1.65. Функціонування лактозного оперону Е. соіі: I – репресія; II – індукція.
Білок-репресор не є обов’язковим для функціонування оперона, але він необхідний для регуляції його роботи. Таким чином, значення гена-регулятора полягає в тому, щоб за допомогою білка-репресора керувати функціонуванням структурних генів.
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.
Особливості експресії генів в еукаріотів. Принцип експресії та її регуляції однаковий як у прокаріотів, так і в еукаріотів. Однак останні, особливо багатоклітинні, – більш складні організми, тому експресія їх генів складніша і дещо відрізняється за деталями. Зокрема, можна відзначити наступні особливості експресії в еукаріотів:
1. Геном вищих еукаріотів значно складніший (наприклад, гаплоїдний геном людини має приблизно 40000 генів, розташованих у 23 хромосомах, а у прокаріотів є тільки одна хромосома і близько тисячі генів).
2. 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.
3. На експресію еукаріотичних генів 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).
4. У представників еукаріотів не встановлено повної оперонної організації генетичного матеріалу. Гени ферментів певного метаболічного ланцюга можуть бути розташовані в різних хромосомах. Вони зазвичай не мають системи регуляції у вигляді гена-регулятора, оператора і промотора, тому синтезовані в ядрах еукаріотів іРНК моноцистронні. Регуляція активності генів в еукаріотів складніша. В цьому процесі беруть участь відразу декілька генів-регуляторів, тобто регуляція транскрипції еукаріотів є комбінативною.
5. Ще одна особливість геному еукаріотів – наявність спеціальних “підсилювальних” сегментів ДНК – енхансерів. Вони можуть розташовуватися на великій відстані від промотора. їх функція – участь в регуляції активності структурних генів. Препромо – торний елемент і енхансер регулюються відповідними регуляторними білками. Деякі білки-регулятори виконують координуючий вплив на активність багатьох генів, тобто вони мають плейотропну дію.
6. Геном еукаріотів зазнає регуляторного впливу з боку ендокринної системи організму. Багато гормонів є індукторами транскрипції. Зокрема, це стосується стероїдних гормонів, які зворотно зв’язуються з білками-рецепторами, що переносять їх у ядро. Такий комплекс зв’язується зі специфічною ділянкою хроматину, відповідальною за регуляцію генів (наприклад, тестостерон активізує гени, що визначають розвиток організму за чоловічим типом).
7. Відомо, що регуляція активності генів еукаріотів пов’язана з утворенням комплексу ДНК з білками хроматину. У такому вигляді гени нуклеосом не здатні до транскрипції. Тому необхідною умовою є часткова декомпактизація хроматину й ослаблення зв’язків з гістоновими білками. Однак повна нуклеосомна організація хроматину в процесі транскрипції не втрачається.
8. 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).
9. Деякі гени еукаріотів декілька раз повторюються, а певні ділянки ДНК взагалі не відіграють генетичної ролі, наприклад, сателітна ДНК. Геном еукаріотів “надлишковий”. Унікальні властивості геному еукаріотів у різних видів складають 15-98 %. У людини унікальні послідовності нуклеотидів складають 56 %. Крім цього, 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. Гени, що повторюються, виконують різноманітну біологічну роль: регуляції відтворення ДНК, участь у кросинговері, позначення межі між екзонами й інтронами тощо. Унікальна ДНК входить до складу структурних генів, але більше половини її не буває активною.
10. Регуляція експресії генів еукаріотів може здійснюватися на стадії посттрансляційних змін (наприклад, для утворення активної форми білкового гормону інсуліну, із молекули проінсуліну вирізаються два ланцюжки, що згодом зшиваються дисульфідними зв’язками).
(2 votes, average: 4,00 out of 5)