Введение в генетику

Если продуктом  гена-регулятора является белок-репрессор, его присоединение к оператору блокирует транскрипцию структурных генов, препятствуя присоединению РНК-полимеразы к специфичному участку – промотору, необходимому для инициации транскрипции. Напротив, если белком-регулятором служит активный апоиндуктор, его присоединение к оператору создает условия для инициации транскрипции. В регуляции работы оперонов участвуют также низкомолекулярные вещества – эффекторы, выступающие как индукторы либо корепрессоры структурных генов, входящих в состав оперонов.

Различают индуцируемые (включаемые) и репрессируемые (выключаемые) опероны в зависимости от типа влияния на их работу молекул-эффекторов.

У индуцируемых оперонов эффектор присоединяется к  белку-репрессору и блокирует его  связывание с оператором, препятствуя  транскрипции структурных генов. Такой тип регуляции работы оперона называют негативным. При негативном контроле эффектор, являющийся корепрессором, присоединяется к неактивному репрессору и активирует его. В результате репрессор приобретает способность присоединяться к оператору и тем самым блокировать транскрипцию оперона. Таким образом, при негативном контроле эффектор связывается с репрессором, что приводит к его инактивации либо активации и соответственно индуцирует либо репрессирует транскрипцию оперона.

Наряду с  этим, индуцируемые опероны могут находиться под позитивным контролем регуляции, при котором эффектор связывается с регуляторным белком и активирует его. Активный апоиндукторприсоединяется к оператору, что обеспечивает возможность транскрипции оперона. Оба типа контроля регуляции действуют и в отношении репрессируемых оперонов. При позитивном контроле функционирования репрессируемого оперона корепрессор связывается с активным апоиндуктором. Такой комплекс не может присоединяться к оператору, и структурные гены не транскрибируются. При позитивном контроле эффектор присоединяется не к репрессору, а к апоиндуктору, что разрешает, или, напротив, блокирует транскрипцию в зависимости от того, какую форму (активную или неактивную) приобретает апоиндуктор в результате связывания с эффектором. Поскольку при транскрипции оперона, состоящего из нескольких структурных генов, образуется один общий транскрипт в виде молекулыполицистронной мРНК, все эти гены экспрессируются координировано.  

Особые  типы регуляции активности генов

У прокариот процессы транскрипции (синтез мРНК на матрице ДНК с помощью РНК-полимеразы) и трансляции (синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом и тРНК) тесно связаны между собой: синтез матрицы мРНК еще не закончен, а синтез белка на этой матрице уже начинается. Таким образом, мРНК одновременно связана и с РНК-полимеразой, и с рибосомой.

В результате регуляция  активности некоторых оперонов (например, his-оперона) часто связана с активностью специального контролирующего элемента – аттенюатора (от англ. attenuate – ослаблять), представляющего собой лидерный участок ДНК, локализованный в случае his-оперона между оператором и первым структурным геном. В присутствии корепрессора (особым образом модифицированнойгистидиновой тРНК) аттенюатор обеспечивает терминацию (обрыв синтеза) мРНК в начале оперона и, таким образом, транскрипции структурных генов не происходит.

Аттенюаторы широко распространены среди прокариот. Однако наряду с аттенюаторами, выполняющими функцию негативно действующего регулятора транскрипции, существует и позитивный регулятор his-оперона, присутствие которого облегчает присоединение РНК-полимеразы к промотору.

Следует добавить, что транскрипция может осуществляться с разных промоторов. Различают сильные  промоторы, к которым РНК-полимераза присоединяется сравнительно легко, и слабые промоторы, к которым РНК-полимераза присоединяется только с помощью вспомогательных частиц (их обычно обозначаются символом σ). Чем больше промоторов задействовано в процессе транскрипции, тем больше образуется РНК. Точно также существуют терминаторы с различной степенью сродства к РНК-полимеразе. От одних терминаторов РНК-полимераза отсоединяется без особых затруднений, а от других – с помощью вспомогательных частиц (их обычно обозначают символом ρ). 

Биологическое значение оперонов.

С одной стороны, оперонная организация дает преимущество с точки зрения регуляции генов, объединенных функционально. Однако оперонная организация не отражает генезиса генов, так как гены в оперонах не являются родственными по происхождению. Поэтому для клетки проблема скорее заключается в том, чтобы дифференцировать действие единой регуляторной системы на каждый отдельный ген.

Объединение функционально  близких генов в опероны, видимо, постепенно сложилось в эволюции бактерий по той причине, что у них перенос генетической информации обычно осуществляется небольшими порциями (например, при трансдукции или посредством плазмид). Значение имеет само по себе сцепление функционально родственных генов, что позволяет бактериям приобретать необходимую функцию в один этап. 

3.3. Регуляция  экспрессии генов у высших эукариот

Важнейшая особенность  функционально-генетической организации  эукариот – отсутствие у них оперонов, подобных оперонам бактерий. Однако промоторные и терминаторные участки у эукариот имеются; более того, они более разнообразны, чем у прокариот. Однако структурные гены, контролирующие последовательные этапы метаболического процесса, могут находиться у эукариот в разных участках одной хромосомы или даже в разных хромосомах. Физико-химический и электронно-микроскопический анализ вновь синтезированной РНК показывает, что она состоит из огромных молекул длиной внесколько десятков тысяч нуклеотидов. Поэтому правильнее говорить о функциональной генетической единице у эукариот как о транскриптоне (Г.П. Георгиев), т. е. участке ДНК, с которого считывается единая непрерывная молекула РНК. Доказано, что в ответ на действие указанных индукторов активируется целая батарея структурных генов, среди которых находятся как гены, кодирующие определенные белки, так и гены рРНК и тРНК.

Наряду с  обычными нуклеотидными последовательностями промоторной и терминаторной областей транскрипции у эукариот обнаружены такие специфические элементы регуляции, как усилители (энхансеры), и глушители (сайленсеры).

Энхансеры – это участки ДНК, которые действуют как усилители транскрипции, находясь на расстоянии нескольких сот и даже тысяч пар нуклеотидов от регулируемого гена; в других случаях энхансеры находятся в самих структурные генах в составе интронов. Вероятно, механизм действия энхансеров связан с изменением нуклеосомной структуры хроматина. Сайленсеры – это участки ДНК, которые, располагаясь в нескольких сотнях пар нуклеотидов до или после регулируемого гена, выключает транскрипцию, изменяя структуру хроматина. Существуют мутации, которые не затрагивая сам глушитель, делают его неактивным и тем самым «разрешают» транскрипцию с промотора регулируемого гена.

Существенная  особенность генетической регуляции  в клетках эукариот заключается  в том, что процесс транскрипции зависит от состояния хроматина. В частности локальная компактизация ДНК в её отдельных участках полностью блокирует синтез РНК. Вероятно, это связано с тем, что в такие области не может проникнуть РНК-полимераза.

Сам факт тотальной регуляции  действия генов в настоящее время не вызывает сомнений. Активность генов оценивается по числу типов генных продуктов (РНК-вых копий) в цитоплазме. Этот вопрос был исследован на клетках человека линии HeLa – «стандартной» раковой ткани, культивируемой in vitro в течение десятков лет. Геном клеток HeLa считается сильно дерепрессированным, т. е. в них функционирует значительно большее (около 35 тыс.) число генов, чем в обычных соматических клетках, хотя это не означает, что клетки HeLa производят столь же большое количество конечных генных продуктов – полипептидов. Оказалось, что по функциональной активности гены клеток HeLa могут различаться почти на четыре порядка. Так, существует около 10…12 генов, представленных 12…13 тыс. РНК-вых копий, и несколько десятков генов, которым в цитоплазме соответствуют единичные молекулы мРНК. 

Регуляция активности генов в ходе онтогенеза у эукариот

Клетки различных  тканей растений и животных отличаются друг от друга главным образом  тем, что в них происходит синтез различных групп белков, что и определяет их структурную и функциональную специфику. Таким образом, проблема генетического контроля индивидуального развития тесно связана с проблемой дифференциальной экспрессии генов. Экспрессия генов зависит от факторов внешней и внутренней среды и, в то же время, находится под контролем генотипа. Например, известны особые гомеозисные гены, контролирующие экспрессию других генов.

Экспрессия генов закономерно  изменяется в ходе онтогенеза. В  качестве примера рассмотрим изменение  структуры гемоглобина у человека. Гемоглобин – тетрамерный белок, в состав которого входят четыре полипептидных цепи и четыре молекулы гема. Каждая молекула гема содержит один атом железа, связывающий одну молекулу кислорода или молекулу углекислого газа. Две полипептидных цепи, входящие в состав одного тетрамера, носят общее название α, а две – общее название β. В целом структура тетрамера описывается формулой α₂β₂. Однако эта общая формула нуждается в уточнении. Полипептиды типа α представлены двумя подтипами – ζ и а. Оба подтипа кодируются дуплицированными генами, локализованными в 16-й хромосоме, однако гены ζ экспрессируются в раннем эмбриогенезе, а гены α – преимущественно у плодов и у взрослых организмов. Полипептиды типа βпредставлены подтипами ε, γ, δ, β. Кодирующие их гены расположены в 11-й хромосоме в указанном порядке, который соответствует порядку их экспрессии: ген ε экспрессируется на ранних стадиях развития эмбрионов, γ – у плода, δ – у новорождённых, β – у взрослых. В целом «взрослый» гемоглобин состоит из четырех цепей (двух цепей α и двух цепей β) и описывается формулой α₂β₂. Однако экспрессия гена δ у взрослого человека полностью не прекращается, и около 1% β-цепей замещено на гемоглобин δ (детский гемоглобин).  

Регуляция экспрессии генов в ходе онтогенеза осуществляется на различных уровнях: генном, транскрипционном, посттранскрипционном, трансляционном и посттрансляционном (функциональном).  

1. Регуляция  на генном уровне

1.1. Модификация ДНК (замена мажорных «обычных» азотистых оснований – аденина, гуанина, цитозина и тимина – на минорные «редкие» азотистые основания, обычно на метил-цитозин или метил-гуанин). Доказано, что метилирование цитозина существенно влияет на экспрессию генов. Например, активные гены гемоглобина менее метилированы, чем неактивные.

1.2. Увеличение  объема ДНК в клетке путем  дифференциальной амплификации  ДНК или за счет образования  политенных хромосом.

Дифференциальная (избирательная, или селективная) амплификация ДНК, которая заключается в многократном копировании отдельных генов, например, генов рРНК. Это явление наблюдается упрокариот, а также у эукариот, например, в ооцитах многих животных, в частности, у амфибий. Амплификация связана с увеличением объема яйца в сотни и тысячи раз. Чтобы заполнить такой огромный объем клетки рибосомами, гены рДНК сами увеличиваются в числе настолько, что, например, у шпорцевой лягушки по окончании амплификации содержание рДНК почти равно количеству ДНК, заключенному в диплоидном наборе хромосом. Число ядрышек (органоидов, контролирующих образование рибосом) возрастает с 2 единиц до 1,5 тыс. Амплификация рРНК происходит и при мегаспорогенезе у растений.(Замечательная особенность молекулярного механизма амплификации заключается в том, что он осуществляется по принципу катящегося кольца – как у прокариот. Одна из копий гена рДНК покидает хромосому, превращается в экстрахромосомную копию, затем замыкается в кольцо, из которого как бы вытягивается хвост длиной в несколько десятков микрометров. Затем эта структура вновь циклизуется, образуя большое кольцо, на основе которого формируется ядрышко.)

Другим механизмом увеличения объема ДНК в клетке является образование политенных хромосом, например, в слюнных железах личинок  двукрылых насекомых, в клетках  зародышевого мешка Покрытосеменных  растений. Частичная политения обнаружена и у млекопитающих: происходит многократное удвоение не всей молекулы ДНК, а только некоторых ее участков.

1.3. Различные  случаи программированных количественных  изменений ДНК. Примером регуляции,  обусловленной транспозицией, служит  феномен смены фаз (типа жгутиков) у сальмонелл. Действующий в клетках сальмонелл переключатель содержит промотор, который может изменять свою пространственную ориентацию. В одной ориентации промотор обеспечивает транскрипцию гена Н2, кодирующего синтез жгутиков одного типа, с одновременной репрессией гена H1, кодирующего синтез жгутиков другого типа. В противоположной ориентации промотора ген Н2 не экспрессируется, в то время как экспрессия гена H1 становится возможной.

1.4. Сплайсинг  ДНК. Регуляция, связанная со сплайсингом ДНК, изучена на примере генов, кодирующих синтез антител.

Известно, что  разнообразные чужеродные вещества – антигены, попадающие в наш организм, – связываются особыми белками – антителами, или иммуноглобулинами. Млекопитающие могут продуцировать до миллиона различных антител, которые вырабатываются Т- и В-лимфоцитами иммунной системы. Существует особый раздел генетики – иммуногенетика,– который изучает генетический контроль иммунного ответа. Основу молекул иммуноглобулинов составляет сложный белок, состоящий из четырех полипептидных цепей – двух тяжелых (Н) и двух легких (L), – связанных дисульфиднымимостиками. Оба типа цепей имеют константные (С) и вариабельные (V) участки. Центр связывания антигена образуют вариабельные участки Н- и L-цепей. Механизм объединения константных и вариабельных участков в одной и той же полипептидной цепи подробно изучен. Доказано, что у эмбрионов фрагменты ДНК, кодирующие V- и С-участки, пространственно разделены. При развитии системы иммунитета у позвоночных животных и человека происходит дифференцировка лимфоцитов, в ходе которой гены, кодирующие V- и С-участки, перестраиваются таким образом, что в итоге они оказываются частями одного и того же гена, транскрибируемого как целое. Таким образом, сплайсинг ДНК обеспечивает сшивание консервативных (т.е. постоянно присутствующих) районов этих генов с различными варьирующими. В результате появляется большое число типов антител, поскольку любая консервативная область может быть присоединена к любой варьирующей.

Сплайсинг ДНК можно представить в виде схемы: