Лекция 8. Регуляция экспрессии генов. Понятие оперона
- Понятие экспрессии генов, ее основные этапы.
- Регуляция экспрессии генов, понятие оперона и его основные механизмы функционирования.
- Лактозный оперон E.coli.
- Особенности экспрессии генов у эукариот.
- Современное состояние теории гена.
- Взаимосвязь между генами, ферментами и признаками
Экспрессия генов
Генная экспрессия - это совокупность молекулярных механизмов реализации наследственной информации, благодаря которому, ген проявляет свой потенциал в конкретном фенотипическом признаке организма. Все этапы экспрессии генов протекают с использованием энергии и обслуживаются десятками разнообразных ферментов. Процесс экспрессии гена состоит из нескольких этапов (слайд 1):
Ген Про-мРНК мРНК Полипептид Белок Признак
транскрипция процессинг трансляциия модификация экспрессия
а) на основе гена ДНК синтезируется про-мРНК. Первый этап экспрессии называется «транскрипцией»;
б) крупная молекула про-мРНК подвергается «процессингу», в результате этого значительно уменьшается в размерах. Образуется «зрелая» мРНК, считывание информации с которой упрощается. Биологический смысл процессинга - облегчение доступа к генетической информации;
в) мРНК при участии тРНК «выбирает» необходимые аминокислоты, которые связываются на рибосоме в строго определенную последовательность полипептида. Процесс переноса информации с мРНК на полипептид называется «трансляцией»; г) синтезированный полипептид подвергается «модификации» и превращается в активный белок;
д) функционируя, белок делает свой вклад в морфологический или функциональный признак (фенотип) клетки или организма. Это процесс называется «экспрессией».
Схема механизма экспрессии представлена на слайде 1Б. В процессе транскрипции участвует не только смысловая часть гена, но и другие регуляторные и структурные части. Образуемая про-мРНК содержит все элементы, характерные для гена ДНК. Процессинг существенно модифицирует про-мРНК, которая превращается в мРНК и содержит намного меньше структурно-функциональных элементов. На основе мРНК трансляция создает молекулы совершенно другой природы — полипептиды, ничего не имеющие общего с нуклеиновыми кислотами и обладающими совершенно другими свойствами и организацией. Модификация полипептидов приводит к еще одному природному явлению - появлению сложной пространственной организации молекулы белка. Происходит переход линейной информации ДНК и РНК в пространственную организацию протеина, которая, в свою очередь, является основой специфического пространственного взаимодействия молекул в живом организме, что и лежит в основе жизни и всех жизненных явлений. В данном случае процесс модификации обеспечивает пространственную организацию - объединение четырех субъединиц гемоглобина в единый комплекс. В результате всех этапов экспрессии проявляется признак - способность к транспорту газов (О2 и СО2).
Регуляция экспрессии генов
Концепция оперона в регуляции экспрессии генов у прокариот. Ген обычно неактивен, но когда необходим определенный белок, конкретный ген «активируется», что обусловливает производство этого белка. Таким образом, клетки имеют механизм, контролирующий количество любого белка в определенное время. Синтез белков регулируется генетическим аппаратом, а также факторами внутренней и внешней среды.
Структура оперона прокариот. В 1961 г. два французских биолога Ф.Джакоб и Ж.Моно предложили механизм регуляции генов, названный гипотезой оперона.
Оперон - это последовательность специальных, функциональных сегментов ДНК, а также структурных генов, которые кодируют и регулируют синтез определенной группы белков одной метаболической цепи, например, ферментов гликолиза. Оперон (регулируемая единица транскрипции) состоит из следующих структурных частей (специальных последовательностей нуклеотидов) (слайд 2):
1. Ген-регулятор, контролирующий образование белка-регулятора.
2. Промотор - участок ДНК, к которому присоединяется РНК-
полимераза и начинается транскрипция.
3. Оператор - участок промотора, связывающий белок-регулятор.
4. Структурные гены (цистроны) - участки ДНК, кодирующие мРНК конкретных белков.
5. Терминаторный участок ДНК несет сигнал об остановке транскрипции.