Лісова генетика. Навчальний посібник. Г.Г. Баранецький, Р.М. Гречаник. 2003 р.
  • Регистрация
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (2 Голоса)

5.8. Регуляція активності генів в онтогенезі

Відповідно до інформації, закладеної в структурі ДНК, організм у процесі росту і розвитку синтезує всі необхідні йому білки. Всі соматичні клітини будь-якого вищого організму, як би вони не були диференційовані, містять однакову кількість ДНК одного і того самого типу і, значить, несуть одну і ту саму програму біосинтезу білків. Але різні види клітин відрізняються одна від одної за кількістю і типами білків, так само як і в одній і тій самій клітині у різний час синтез білків іде з неоднаковою швидкістю. Значить, у клітині повинен існувати якийсь дуже досконалий механізм, що забезпечує вибірковий синтез необхідних їй білків і потрібну в цей чи інший момент їх кількість. Спочатку у мікроорганізмів, а потім і в клітинах вищих рослин було виявлено пристосоване регулювання синтезу ферментів. Виявилося, що клітини синтезують не всі білки, які вони потенційно здатні утворювати. Щоб у клітині почався синтез певного ферменту, в неї з оточуючого середовища повинна проникнути якась речовина, здатна індукувати цей процес. Така речовина називається індуктором. Дуже часто ним буває природний субстрат ферменту. Наприклад, якщо в середовище з мікробними клітинами, які ростуть на глюкозі, додати інший вид цукру - лактозу, то вона ними буде зброджуватися так само, як і цукор. У цьому випадку лактоза виявилася тим самим специфічним субстратом-індуктором, який індукував утворення в мікробних клітинах нового ферменту. Найцікавішим у цьому досліді є те, що новий фермент утворився в клітині тільки тоді, коли він їй необхідний.

Але синтез ферменту може не тільки пристосовано індукуватися, але й подавлятися. Пригнічування синтезу ферменту відбувається тоді, коли концентрація якої-небудь речовини, яка виробляється клітиною, перевищує певний рівень. Часто таким репресором слугує яка-небудь амінокислота високої концентрації, токсична для клітини. Така амінокислота-репресор виключить синтез саме тих ферментів, які її синтезують. Наприклад, бактерії Еsсhtгісhіа соlі при надлишку в середовищі триптофану перестають утворювати триптофан-синтетазу - фермент, який синтезує цю амінокислоту. Значить, синтез ферментів у клітині регулюється механізмами індукції та репресії.

Логічно було б передбачити, що індукція і репресія синтезу білків, як і будь-які інші процеси клітинного метаболізму, знаходяться під контролем генів. Це підтверджувалося даними вивчення у бактерій деяких біохімічних мутацій. Були виявлені мутації, що порушують механізм індукції або репресії. Наприклад, може відбутися мутація, внаслідок якої клітина починає безперервно синтезувати фермент незалежно від присутності або відсутності індуктора. Були виявлені мутантні штами кишкової палички, які синтезували галактозидазу як у присутності, так і за відсутності індуктора - молочного цукру лактози.

Аналогічно мутація може вивести синтез ферменту з-під контролю репресора. При цьому клітина буде продовжувати утворювати фермент і тоді, коли в ньому немає потреби і продукт діяльності цього ферменту є у надлишку. Особливість названих мутацій полягає у тому, що вони зачіпають не сам процес синтезу ферментів, а лише його регуляцію.

Гіпотезу про регуляцію роботи структурних і функціональних генів висунули у 1965 р. Ф. Жакоб і Ж. Моно. Попереду структурних цистронів розташовується ген-оператор, який контролює зчитування інформації (процес транскрипції). Ген-регулятор розміщується на певній відстані від цистронів і здійснює свою дію через білок-репресор. Продукт гена регулятора R сам по собі не активний, але, з'єднуючись з кінцевим продуктом, стає активним і проходить в ядро, з'єднується з геном-оператором і блокує його, після цього синтез і-РНК припиняється. Активний репресор (білок + кінцевий продукт) отримав назву голорепресора, неактивний білок – апорепресор.

Розберемо основні засади цієї теорії й обґрунтовану на ній принципову схему механізму генетичного контролю синтезу ферментів у бактерій. Всі гени знаходяться у великій молекулі ДНК, яка самовідтворюється. Кожний з них являє собою невелику ділянку такої молекули. Але за своїми функціями гени неоднакові. Одні з них несуть інформацію про послідовність амінокислот у білковій молекулі, тобто визначають її структуру, інші регулюють активність перших і цим контролюють процес надходження інформації від ДНК до і-РНК. Структурні гени, які контролюють синтез ферментів, у якому-небудь одному ланцюгу реакцій, розташовані, зазвичай, поряд один з одним. Вони складають єдиний блок, названий опероном, і здійснюють послідовні етапи синтезу одного ферменту, працюючи погоджено, як один елемент. Згідно з моделлю будови хромосоми запропонованою Ф. Кріком, структурна (інформативна) зона оперону, яка несе інформацію для синтезу білків, розташована в міждисковій частині хромосоми регуляторна (акцепторна) її частина входить до складу дисків. Гени в опероні або всі активні, або всі пасивні. Гени одного оперона здійснюють всі поступальні (одна за одною) реакції синтезу кінцевого продукту. Тому синтезуються або всі ферменти у ланцюгу реакції, або не синтезується ні один з них. Вся група генів одного оперона включається в процес синтезу і виключається з нього одночасно. У включенні і виключенні структурних генів полягає сутність всього процесу регуляції. Функції виключення і включення виконує особлива ділянка молекули ДНК-ген-оператор, розташований на самому початку оперона. Ген-оператор до тих пір, поки, до нього не приєднається молекула репресора, знаходиться у включеному стані. Тільки-но репресор зв'язується з геном-оператором, весь оперон виключається і його гени стають неактивними. Якщо репресора немає, структурні гени включаються і йде синтез молекул РНК, які несуть у цитоплазму інформацію для синтезу всього набору ферментів, що виробляються цим опероном.

Репресор – це речовина білкової природи. Він синтезується геном, розташованим на якійсь відстані від оперона. Цей ген називається геном-регулятором. Ген-регулятор безперервно посилає до цитоплазми і-РНК, яка містить інформацію для синтезу білків-репресорів. Таким чином, функція гена-регулятора полягає у керуванні синтезом молекул репресора, які потім з'єднуються з оператором і впливають на механізм включення структурних генів оперона. Робота гена-регулятора, що виробляє молекули репресора, направляється і контролюється цитоплазмою клітини і залежить від зовнішніх умов.

Розглянемо, як здійснюється механізм регуляції. Поки кінцевий продукт утворюється у потрібній клітині кількості, репресор знаходиться в неактивному стані, ген-оператор - "вимкнений" і структурні гени працюють. Тільки-но кінцевий продукт починає вироблятися в кількості, більшій, ніж це потрібно клітині у даний момент, він вступає в реакцію з репресором, який активується і, зв'язуючись з геном-оператором, вимикає роботу всієї системи. Але коли у клітині знову виникає необхідність у біохімічній реакції, внаслідок якої виробляється кінцевий продукт, дія репресора знімається. Відбувається це через індукцію. Індуктором зазвичай слугує та речовина, яка переробляється за участю даного фермента, тобто є його субстратом. Молекули цієї речовини, з'єднуючись з репресором, цим самим одночасно звільняють ген-оператор, який вмикає роботу структурних генів, і синтез необхідного продукту продовжується. Сигнал на увімкнення в роботу оперона дає речовина, вихідна в біологічній реакції, яка утворюється за участю синтезованого фермента, а сигнал на його вимикання поступає від речовини, яка утворюється в результаті цієї самої реакції. Дія такої двосторонньої системи сигналізації ґрунтується на тому, що молекули репресора володіють властивістю з'єднуватись і з геном-оператором, і з молекулами індуктора. Механізм генної регуляції синтезу ферментів добре вивчений у бактерій, що розщеплюють молочний цукор (лактозу) за допомогою ферменту галактозидази, який вони виробляють. Мікробна клітина поглинає з оточуючого середовища лактозу і розщеплює її за допомогою ферменту галактозидази. Якщо у розчині лактози немає, фермент для її розщеплення не потрібний, репресор, що виробляється геном-регулятором, вступає у взаємодію з геном-оператором і "запирає" його. Цим самим припиняється робота структурних генів, на яких синтезувалась і-РНК, яка слугує матрицею для вироблення ферменту галактози. Тільки-но в оточуючому клітину середовищі з'являється лактоза, вона, діючи як індуктор, вступає у взаємодію з репресором і зв'язує його. Одночасно з цим ген-оператор звільняється від репресора і включає в роботу структурні гени: починається синтез і-РНК і утворення фермента галактозидази. Нові порції репресора, які виробляються геном-регулятором, продовжують зв'язуватися лактозою. Поки в оточуючому клітину середовищі є лактоза, весь час утворюється фермент, що її розщеплює. При втраті всіх запасів лактози репресор звільняється і вимикає роботу структурних генів. Утворення непотрібного більше клітині ферменту галактозидази припиняється. Як бачимо, генетична система клітини, використовуючи механізми індукції та репресії, може приймати сигнали про необхідність початку і закінчення синтезу того чи іншого ферменту і здійснювати цей процес із заданою швидкістю. Таким чином, механізм регуляції білкового синтезу - це досконала здатна до самонастроювання та саморегуляції біокібернетична система, що ґрунтується на принципі дії зворотного зв'язку. Поступання керівної інформації від ДНК на синтез певного ферменту регулюється потоком зворотної інформації про вироблену кількість цього ферменту і потреби у ньому клітини в кожний даний період.

Синтез білка проходить в результаті зв'язування амінокислот поліпептидними зв'язками. Амінокислоти, в свою чергу, утворюються з більш простих речовин, але також в результаті послідовних реакцій. Аргінін, наприклад, утворюється в результаті семи послідовних реакцій. Для його синтезу необхідно декілька (шість) ферментів, які кодуються відповідними генами. Якщо в клітині синтез білка припиняється і необхідність в аргініні відпадає, то всі шість ферментів розщеплюються, а синтез аргініну зупиняється.

Гени, які кодують синтез певних ферментів, розташовуються поруч і в такій послідовності, в якій вони включаються в перетворення продуктів. Це структурні гени оперона. Регуляторна зона оперона, яка містить ген-оператор О і ген-репресор R, контролює одночасно включення структурних генів і відповідає за їх активність.

Ген-оператор включає або блокує синтез і-РНК на структурних генах.

Положення "включено" або "виключено" визначаються не геном-оператором, а геном-регулятором R, який діє на ген-оператор з допомогою білка-репресора. Неактивний репресор з'єднується з кінцевим продуктом – в даному випадку з аргініном, перетворюється в активний репресор і блокує ген-оператор. Синтез і-РНК припиняється, в результаті чого аргінін не утворюється.

Таким чином, голорепресор блокує дію цілого оперону. Апорепресор і кінцевий продукт суворо специфічні: аргінін не гальмує синтезу інших амінокислот, голорепресор блокує тільки аргініновий оперон.

Така система регуляції зручна і економна: синтез регулюється залежно від потреби, однак має і недоліки – репресія здійснюється повільно.

Існує ще інший спосіб, а саме: тонка регуляція, при якій в гальмуванні синтезу бере участь кінцевий продукт, який з'єднується з ферментом і той його інактивує.

Активний фермент забезпечений двома неідентичними просторовими центрами, один з них служить для з'єднання з субстратом, а другий – з кінцевим продуктом. Після з'єднання аргініну з суворо специфічним центром ферменту останній інактивується; він не може каталізувати реакцію перетворення продукту "а" в "б", і в результаті синтез аргініну припиняється. Така регуляція називається системою негативного оберненого зв'язку.

Відомо, що в кожній клітині організму є однаковий набір хромосом незалежно від їх приналежності до тієї чи іншої тканини. Так, актин і міозин, а також білки, що утворюють м'язові волокна, відсутні в червоних кров'яних тільцях, які синтезують гемоглобін. Характерно, що і в межах одного і того ж типу клітин з віковими змінами організму простежуються відмінності між речовинами цих клітин, які беруть участь в процесі синтезу. Наприклад, у зародка людини кожна молекула гемоглобіну складається з двох поліпептидних ланцюгів α, що зв'язані не з двома ланцюгами β, як у дорослої людини, а з двома ланцюгами τ різної будови, які перестають синтезуватись після народження. Але кількість ДНК в клітині та природа генетичної інформації в ході розвитку залишаються незмінними і однаковими у всіх клітинах організму. Це означає, що в кожний момент в клітинах якого-небудь даного типу активні тільки деякі гени, тоді як решта знаходяться в неактивному стані. При детальному вивченні хромосом можна виявити по їх довжині наявність особливих набряків (пуф), що належать до окремих стрічок чи груп стрічок. Число і розміщення пуфів не випадкові, вони змінюються по мірі розвитку організму, а кожному етапу відповідає своє визначене розміщення. Пуфи утворюють ДНК, що мають вигляд петель, які розміщуються по обидві сторони від осі хромосоми. Вздовж цих петель проходить активний синтез РНК. Вважають, що утворення пуфа пов'язане з розвитком ділянок ДНК у зовнішній частині хромосоми, що забезпечують передачу інформації генами цієї ділянки інформаційній РНК. У ділянках, які позбавлені пуфів, ДНК зберігає підвищену густину. Відповідно, в кожний даний момент активною є лише невелика кількість генів і на різних стадіях розвитку організму активні різні гени. Ген-регулятор, що визначає функцію ряду структурних генів в опероні, впливає на них через синтез декількох білків. Ген виступає як оператор, який передає накази гена-регулятора на специфіку структурних генів. На схемі в якості лінії представлена хромосома, на якій локалізований ген-регулятор R і три близько зчеплені гени (О, А, В). Варто відзначити, що ген-регулятор може знаходитись і в іншій хромосомі. Гени А і В – структурні гени, які контролюють синтез білків. Здатність цих генів до транскрибування своєї інформації на молекули і-РНК залежить від нормальної діяльності оператора (О). Якщо оператор подавлений речовиною репресора, гени А і В втрачають свою конституційність. Характерно, що специфічні метаболічні речовини можуть інактивувати речовину репресора. Таким чином, метаболіти беруть участь в управлінні активністю генів. Так, індуктивні ферменти бактерій синтезуються лише в суворо визначених умовах. Приклад – β-галактозидаза Escherichia coli. Цей фермент розділяє лактозу і галактозу і цим дає початок ряду хімічних перетворень, які постачають клітину енергією та основними елементами для різноманітних синтезів. Якщо замість лактози в поживному середовищі знаходиться інше джерело вуглецю (наприклад, глюкоза чи манноза), в клітині не буде β-галактозидази. Варто лише помістити клітини в середовище з лактозою, як β-галактозидаза починає активно синтезуватись. З допомогою даного механізму регуляції можна пояснити також властивості репресованих генів. Так, фермент, що контролює заключний етап синтезу метионіну, який звичайно є у вмісті клітин Escherichia coli, перестає синтезуватись при додаванні до культурного середовища метионіну. Активність структурного гена цього ферменту також регулюється репресором, який звичайно перебуває в недіючому стані (позбавлений спорідненості до відповідного гена-оператора), за виключенням випадку, коли є надлишок метионіну. Прикріплюючись до репресора і змінюючи його третинну структуру, молекула метионіну робить його активним.

Оперон рослинної і тваринної клітин має складнішу будову, ніж оперон бактерії. Регуляторна зона не розташовується безпосередньо біля структурних цистронів, крім того, існують гени, по всій ймовірності, регулятори і оператори, які здатні переміщуватися з однієї ділянки в іншу. Запропоновано декілька гіпотез будови оперону тваринних і рослинних клітин, які чекають експериментального підтвердження.

Г. П. Георгієв подає модель оперону, в якій розташовуються дві зони: структурних (інформативна ділянка) і регуляторних генів (акцепторна ділянка). В останній розміщуються нуклеотидні повтори. Гени акцепторної зони реагують на білки-репресори та активатори і регулюють роботу структурних генів.

Р. Бріттен і Дж. Девідсон запропонували нову модель структури оперону, згідно з якою в клітині діють функціонально об'єднані групи генів: ген-продюсер, ген-рецептор, ген-інтегратор, ген-сенсор. Сигнал поступає в ген-сенсор, що збуджує гени-інтегратори. Вони синтезують гігантський попередник активаторної РНК. Продукти розпаду попередника активаторної РНК знаходять відповідні гени-рецептори, які зчеплені з геном-продюсером, після чого він починає синтезувати інформаційну РНК. Таким чином, ген-сенсор посилює сигнал, а ген-продюсор відповідає на сигнал синтезом і-РНК. Дані, які підтверджують існування такого механізму, приводили Г. Д. Бердишев та І. Ф. Криворучко (1979) на прикладах впливу гормонів, вітамінів, ембріональних індикаторів на клітини мішені. Ці речовини, після проникнення в клітину мають здатність індукувати активність генів-продюсерів в результаті безпосередньої взаємодії з геном-сенсором. Насьогодні питання регуляції геному еукаріот інтенсивно вивчається.

Поряд із звичайними нуклеотидними послідовностями промоторної і термінаторної ділянок транскрипції в еукаріот виявлені такі специфічні елементи регуляції, як підсилювачі або енхансери (enhansers) і глушителі (silencers ).

Показано, що глушитель, функціонуючи, взаємодіє з продуктами декількох генів, мутації в яких роблять глушитель неактивним і цим самим "дозволяють" транскрипцію в промотора регульованого гена.

Регуляція активності генів в онтогенезі - 5.0 out of 5 based on 2 votes

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить