Регуляция работы генов у прокариотов

Ген - информа­ционная структура, состоящая из ДНК, реже РНК, и определяющая синтез молекул РНК одного из типов: и-РНК или р-РНК, посредством кото­рых осуществляется метаболизм, при­водящий в конечном итоге к развитию признака. Минимальные по размеру гены состоят из нескольких десятков нуклеотидов. Гены синтеза больших макромолекул включают несколько сот и даже тысяч нуклеотидов. Несмотря на большие их размеры, они остаются невидимыми так же, как и элементар­ные частицы. Наличие генов обнару­живается по наличию признаков орга­низмов; по их проявлению. Общую схему строения генетического аппара­та прокариот предложили французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно (1961 г.).

Слайд № 3

Схема генетического контроля бел­кового синтеза получила название гипотезы оперона. По этой схеме гены функционально неодина­ковы: одни из них (так называемые структурные гены) содержат информацию о расположении аминокислот в молекуле белка-фермента, другие - вы­полняют регуляторные функции, оказывающие влияние на активность структурных генов (гены-регуляторы). Структурные гены обычно расположе­ны рядом, образуя один блок - оперон. Они программируют синтез фер­ментов, участвующих в последователь­но идущих ферментативных реакциях, в одном метаболическом цикле. Кроме того, в оперон входят участки, отно­сящиеся к процессу включения транс­крипции: промотор - место первичного прикрепления РНК-полимеразы, с ко­торого начинается процесс транскрип­ции, и регуляторный участок - ген-оператор. В зависимости от его состояния структурные гены могут быть активны или выключены из процесса транскрипции. Вся группа генов одно­го оперона функционирует одновре­менно, поэтому ферменты одной цепи реакции либо синтезируются все, либо не синтезируется ни один из них. Включение и выключение структур­ных генов - осуществляется особым участком молекулы ДНК, расположенной в самом начале оперона - геном-оператором; это функциональный ген. Оператор, в свою очередь, контролируется геном-регулятором, расположенным на каком-то расстоянии от оперона. Ген-регулятор кодирует син­тез особого белка - репрессора. Репрессор может быть в двух формах: активной и неактивной. Находясь в активной форме, он присоединяется к оператору, блокирует транскрипцию, считывание генетической информации прекращается и весь оперон выключа­ется. До тех пор, пока репрессор свя­зан с геном-оператором, оперон на­ходится в выключенном состоянии. При переходе белка-репрессора в не­активную форму ген-оператор осво­бождается, происходит включение опе­рона и начинается синтез соответствую­щей РНК с последующим процессом синтеза ферментов.

Генетические системы регуляции белкового синтеза у эукариот

Результаты опытов Жакоба и Моно были подтверждены и дополнены во многих лабораториях, построена тео­рия генетической регуляции белкового синтеза. Все же, по-видимому, оперонная система представляет собой один из механизмов регуляции синтеза бел­ка. Это саморегулирующаяся система, основанная на принципе обратной свя­зи. Предполагают, что у высших орга­низмов, имеются принципиально такие же регуляторные генетические си­стемы, что у вирусов и бактерий. Однако, в этом случае регуляторные механизмы имеют более сложный характер. Слайд № 4 По схеме Г.П. Георгиева (1972), каждый оперон состоит из проксимальной акцепторной зоны, включающей в себя ряд последовательно расположенных генов (операторов и промоторов) и дистальной (регуляторной) зоны. Акцепторная зона уп­равляет через посредство белков-репрессоров действием структурных генов. Один структурный ген может многократно повторяться, образуя це­лую серию одинаковых последова­тельностей. Предполагают, что у жи­вотных и человека каждый оперон содержит несколько или много регуляторных генов. Структурные гены, ответственные за разные звенья одной цепи биохимических реакций, могут быть сосредоточены не в одном опероне, а рассеяны по геному.

У эукариот существует путь регуляции генной активности, отсутствующий у более простых форм —одновременно групповое подавление активности генов в целой хромосоме или ее большем участке осуществляется белками-гистонами, входящими в состав хромосом. В целом регуляция генной активности у выс­ших организмов менее изучена; взаи­моотношения регуляторных и струк­турных генов осложняются в силу ряда причин: наличие обособленного от цитоплазмы ядра, сложное строение хро­мосомы, дифференцировка клеток, вли­яние общих систем регуляции орга­низма, в частности гормонов, оказы­вающих сильное трансформирующее действие на проявление генной актив­ности.

В общем виде генетический аппарат эукариот представляется следующим: акцепторная (регуляторная) зона - экзон - интрон - экзон.

Такая структурно-функциональная организация обусловливает особенно­сти трансляции. На структурных ге­нах синтезируются молекулы РНК-предшественницы (про-м-РНК), ком­плементарно транскрибирующие экзонные и интронные части генов. В по­следующем, с помощью ферментов-рестриктаз вырезаются интронные уча­стки, а остающиеся экзонные участки сшиваются с помощью ферментов лигаз. В итоге получающиеся оконча­тельные молекулы и-РНК или т-РНК оказываются меньших размеров, чем их структурные гены. Наличие интронов в генах эукариот является уни­версальным явлением. В больших ге­нах интронов больше. Число интронов в генах от 1 до 50. Можно считать, что интроны являются запасом информации, обусловливающем изменчивость.

Некоторые гены эукариот многократно повторены, определенные же участки ДНК вообще не играют генети­ческой роли, как сателитная ДНК. Значит, геном эукариот “избыточен”. У них функционирует от 10⁴ до 2 х 10⁵ генов из 10⁶ всех генов. Уни­кальные последовательности генома эукариот у разных видов составляют 15—98%. У человека уникальные последовательности нуклеотидов со­ставляют 56%. Кроме этого, в геномах эукариот содержатся последова­тельности, повторяющиеся несколько десятков, сотен и даже миллионов раз. Они рассредоточены среди уникальной ДНК. К повторяющимся последова­тельностям относятся и элементы с не­постоянной локализацией. Их назы­вают транспозонами, или мобильны­ми элементами (генами). Повторяющиеся гены выполняют разнообразную биологическую роль: регуляция воспроизведения ДНК, участие в кроссинговере, обозначение границы между экзонами и интронами и др.

Уникальная ДНК входит в состав большинства структурных генов, при­чем более половины ее не бывает ак­тивной. Вся жизнедеятельность орга­низмов обусловлена функциональной активностью уникальных генов; их появление у организмов, имеющих нервную систему, оказывает влияние на ее состояние и деятельность желез внутренней секреции. Но гены, опре­деляющие функции нервной и эндо­кринной систем, в свою очередь, за­висят от состояния внутренней среды организма и от среды обитания. Они принесли огромную практическую пользу и медицине. В области медицины выяснение генетической основы различных патологических состояний, встречающихся у человека, привело к созданию рациональных методов их профилактики и терапии.