Регуляция работы генов у прокариот и у эукариот
Работа генов в любом организме – прокариотическом, эукариотическом, одноклеточном или многоклеточном контролируется и координируется.
11.1. Регуляция работы генов у прокариот.
В 1961 г. французике ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно создали оперонную модель регуляции транскрипции, объясняющую механизм «включения» и «выключения» тех или иных генов, в зависимости от потребности бактериальной клетки в метаболитах.
Классическим примером регуляции экспрессии (или реализации) служит: функционирование 1) лактозного и 2) триптафанового оперона кишечной палочки.
Лактозный оперон. Многими учеными замечено, что некоторые ферменты у дрожжей и бактерий образуются в клетках только при выращивании их на определенных питательных средах. Например, при выращивании кишечной палочки на питательной среде, не содержащей лактозы, ее клетки содержат незначительное число (меньше пяти) молекул фермента лактазы, разлагающего лактозу на глюкозу и галактозу. При добавлении в питательную среду лактозы бактериальные клетки в течение 2-3 мин синтезируют большое количество лактазы (свыше 5 тыс. молекул). При удалении из среды лактозы синтез лактазы быстро прекращается. Вещества, индуцирующие синтез ферментов, которые их разлагают, называются индукторами (в данном примере индуктором является лактоза).
Триптафановый оперон. Подобные механизмы используются клеткой для выключения синтеза нужных ей соединений при их наличии в питательной среде. Например, аминокислота триптофан синтезируется при участии фермента триптофан-синтетазы. Однако, если в среде, на которой выращиваются бактерии, присутствует триптофан, синтез фермента немедленно прекращается. Это явление получило название репрессии,а вызывающий его фактор (в нашем примере — триптофан) — корепрессором.
Рис.. Схема регуляции транскрипции у прокариот. (а) Оперон «не работает»
(б) Оперон «работает»
а)
б)
Оперон– это группа генов (т.е. участок ДНК), работа которых контролируется одним геном-регулятором. Единица считывания информации у прокариот.
|
![]() | |||
![]() | |||
Индукция.Присоединение молекулы индуктора к активному участку молекулы репрессора изменяет его третичную структуру так, что он не может связаться с геном-оператором и блокировать его. Оператор оказывается в активном состоянии и включает структурные гены, а именно, отсутствие блокады гена оператора позволяет РНК-полимеразе связаться с геном-промотором. Закрепившись, РНК-полимераза может начать транскрипцию структурных генов оперона. В качестве индукторов могут выступать продукты распада белка, гормоны и др. метаболиты.
Инактивация.Если индуктор в клетке отсутствует, торепрессор обладает способностью связываться сгеном-оператором. При этом происходит инактивация оператора и темсамым предотвращается включение структурных генов, т.е. РНК-полимераза не связывается с геном-промотором и транскрипция отсутствует
Оперон включает в себя следующие гены:
1. Ген-промотор с инициатором- это место первичного прикрепления РНК-полимеразы (фермента, синтезирующего РНК на ДНК)— фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого синтеза и-РНК. Является местом начала транскрипции. Кроме того, промотор определяет, какая из двух цепей ДНК будет служит матрицей для синтеза иРНК. Промотор находится со стороны 5'-конца кодирующей цепи гена.
2. Ген-оператор-точка начала считывания генетической информации, он управляет функционированием структурных генов оперона, т.е. включает и выключает их (т.е. структурные гены), следовательно, они активны непостоянно. Если этот ген свободен, то это значит, что работа структурных генов разрешена, если он связывается с репрессором, то работа этих генов прекращается.
3. Структурные гены- это гены, несущие генетическую информацию о последовательности аминокислот в молекулах белков (ферментов).
4. Терминатор– это участок (локус) в конце оперона, сигнализирующий о прекращении транскрипции, т.е. место окончания синтеза иРНК.
11.2. Регуляция работы генов у эукариот.Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г. П. Георгиевым (1972).
Рис. ___.Схема регуляции транскрипции у эукариот
Единица транскрипции (т.е. единица считывания информации) у эукариот называется транскриптоном. Онсостоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон.
Неинформативная зонаначинается промотором с инициатором.Далее следуют группа генов-операторов,за которыми расположена информативная зона.
Информативная зонаобразована структурным геном, разделенным на экзоны (информативные участки) иинтроны. (неинформативные участки).
Заканчивается транскриптон терминатором.
Работу транскриптона регулирует несколько генов-регуляторов, дающих информацию для синтеза нескольких белков-репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (например, гормоны), для расщепления которых требуется несколько ферментов (многоступенчатые реакции). Когда индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-полимераза разрывает водородные связи между двумя цепочками ДНКтранскриптона и по правилу комплементарности на нем сначала синтезируется большая молекула проинформационной РНК (про-и-РНК),списывающая информацию как с информативной, так и с неинформативной зон. В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг(англ. processing –обработка, переработка)— ферментативное разрушение неинформативной части РНКи расщепление ферментами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Молекула и-РНК (моноцистронпая), соответствующая экзонам структурного гена, формируется посредством сплайсинга(сплавления или соединения) отдельных информативных фрагментов ферментами лигазами. Далее и-РНК выходит из ядра, идет в рибосомы, где и происходитсинтез белка-фермента , необходимого для расщепления индукторов. Включение и выключение транскриптона происходит принципиально так же, как и оперона.