Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Кожний з мобільних генів складається з декіль- кох тисяч ланок. На обох кінцях такого елементу розташовані однакові ділянки. Вони забезпечують рухливість генів і включають гену роботу. Мобільні генетичні елементи забезпечують підвищений синтез РНК і виконують наступні функції: є важливим фактором біологічної еволюції; утворюють новий генетичний матеріал, який може використовуватися для формування нових генів; впливають на мінливість організму; порушують роботу генетичного апарату, що призводить до утворення ракових клітин. 1.2.3.9 Екзонно інтронна організація генів геному) еукаріотів На відміну від прокаріотів, еукаріоти мають сформоване ядро, відмежоване від цитоплазми ядерною оболонкою. Генетичний матеріал у них в основному зосереджений у хромосомах. Проте є від- мінності і в самій організації генетичного матеріа- лу. Якщо у бактерій кодуючі гени є неперервними послідовностями нуклеотидів, то практично в усіх еукаріотів гени є переривчастими: кодуюча части- на гена один або декілька разів переривається не кодуючою ділянкою. Відкриття явища переривчастості гена еукарі- отів сприяло формуванню уяви про мозаїчну бу- дову гена коли кодуючі послідовності ДНК уме- жах того ж гена розділяються некодуючими вставками з неінформаційної, "мовчазної" ДНК. Кодуючі ділянки отримали назву екзони, а неінформацій ний матеріал інтрони. Така будова гена вказує, що функціональні час- тини гена роз'єднані, що ген не є неподільною оди- ницею не тільки щодо рекомбінацій та мутацій, але й стосовно своїх функціональних властивостей. Відкриття екзонно інтронної організації генів сприяло обґрунтуванню того, що поряд з міжгенною існує і внутрішньогенна функціональна взаємодія. Ген (базиген) складається з окремих ділянок центрів, названих трансгенними, які мають схожі функції. Між трансгенами одного гена існують такі 104 ж алельні взаємозв'язки, як і між окремими функ- ціонально різними генами. Для синтезу білка весь ген, зокрема екзони й інтрони, транскрибується в довгу молекулу РНК (первинний транскрипт). Перш ніж покинути ядро, ця молекула РНК комплексом ферментів здійснює процесинг видаляє всі послідовності інтронів. Зріла молекула РНК стає значно коротшою (майже в 10 разів у порівнянні з первинним транскриптом), виходить у цитоплазму у вигляді мРНК і бере участь у синтезі білка. Отже, присутність в еукаріотів численних інтронів полегшує генетичну рекомбінацію між ек зонами і забезпечує більшу гнучкість у синтезі білка. Виникнення нових білків збільшує ефективність ево- люції організмів. Доведено, що з однієї первинної РНК у різних тканинах утворюється не один, а декілька різних за довжиною мРНК транскриптів. • молекулярні механізми • регуляція молекулярних механізмів • локуси генів Генна експресія це молекулярний механізм реалізації спадкової інформації, завдяки якому ген виявляє свій потенціал конкретною фенотипною оз- накою організму. Процес експресії гена складається з кількох етапів (рис. 1.64): 1. Код гена ДНК перетворюється в код про іРНК. Перший етап експресії називається "транскрипцією". 2. Складна молекула про іРНК зазнає "проце сингу", внаслідок чого значно зменшується за роз- мірами. Утворюється зріла ІРНК, зчитування інфор- мації з якої спрощується. Біологічний зміст проце сингу полегшення доступу до спадкової інформації. 3. Інформаційна РНК за участю тРНК вибирає необхідні амінокислоти і зв'язує їх на рибосомі відпо- відно до послідовності амінокислот у молекулі білка. Цей процес називається трансляцією. 1.2.3.10 Реалізація генетичної інформації в клітині експресія генів) 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Рис. 1.64 Етапи експресії бета ланцюга гена гемоглобіну. 4. Синтезований поліпептид зазнає модифікації і впливає на морфологічну або функціональну озна- ку (фенотип) клітини або організму. Цей процес на- зивається "експресією". Всі етапи експресії генів відбуваються з викорис- танням енергії під впливом десятків ферментів. Процес експресії наведений на рис. 1.64 на при- кладі гена Р ланцюга гемоглобіну. Основою екс- пресії генів є молекулярні процеси транскрипції, про цесингу, трансляції і модифікації. У процесі транскрипції бере участь не тільки інформативна частина гена, але й інші регуляторні і структурні ділянки. Про іРНК містить багато еле- ментів, які характерні для ДНК. Процесинг істотно модифікує про іРНК, яка перетворюється на ІРНК і містить значно менше структурно функціональних елементів. Внаслідок трансляції на основі ІРНК ут- ворюються молекули цілком іншої природи білки, що не мають нічого спільного з нуклеїновими кислотами, мають інші властивості та організацію. Мо- дифікація поліпептиду призводить ще до одного природного явища появи складної просторової органі- зації молекули білка. Відбувається перехід лінійної інформації ДНК і РНК у просторову організацію протеїну, що, зокрема, є складовою специфічної про- сторової взаємодії молекулу живому організмі, яка є основою життя. Регуляція експресії генів. Генетичний апарат це тонко регульована система. Відомо, що гени не про- являють постійної активності. Ген перебуває вне- активному стані, але коли є необхідність, він акти- вується, а це, зокрема, зумовлює синтез відповід- ного білка. Таким чином, клітинам властивий ме- ханізм, що контролює кількість будь якого ферменту в певний проміжок часу. Синтез білків регулюєть- ся генетичним апаратом і факторами внутрішнього і зовнішнього середовища. Концепція оперону в регуляції генів у прока- ріотів У 1961 р. французькі біологи Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували механізм регуляції генів, який було названо гіпотезою оперона. Вони виявили, що до- давання лактози до культури Е.соїі індукує утворен- ня відразу трьох ферментів: галактозидази, перме ази і трансацетилази, необхідних клітині для розщеп- лення лактози до глюкози і галактози. Гени, що ко- дують ці ферменти, межують один з одним у хро- мосомі, їх назвали структурними генами або ци 105 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини стронами. Вони транскрибуються РНК полімера зою в одну довгу ІРНК, що має кодони для всіх трьох ферментів. Інформаційна РНК, що транскрибуєть- ся з декількох генів, називається поліцистронною. Функція цих цистронів контролюється ділянкою мо- лекули ДНК, яка називається оператором (рис. 1.65). Операторний локус це певна ділянка послідовності нуклеотидів довжиною 27 пар основ. Даний сегмент ДНК розташований між промотором до якого перед початком транскрипції приєднується РНК полі мераза, і початком першого структурного гена (5 галак тозидази. Цистрон синтезує ІРНК, якщо оператор увімкнений, і припиняє синтез, коли він вимкнений. Оператор вмикається або вимикається білком, який назвали репресором, синтезованим регуляторним геном. Репресор або зв'язується з оператором і при- гнічує його активність, або не зв'язується з ним, дозволяє виявляти активність структурним генам. Таким чином, репресор є негативним регулятором. Усі названі елементи функціонування генів входять до складу оперона. Білок репресор не є обов'язковим для функціону- вання оперона, але він необхідний для регуляції його роботи. Таким чином, значення гена регулятора по- лягає в тому, щоб за допомогою білка репресора керувати функціонуванням структурних генів. Отже, оперон це послідовність спеціальних функціональних сегментів ДНК та структурних генів, які кодують синтез певної групи білків одного ме- таболічного ланцюга, наприклад, ферментів гліколі- зу. Регульована одиниця транскрипції складається з наступних структурних частин: 1) ген регулятор, який контролює утворення білка репресора; 2) промотор ділянка ДНК, до якої приєднується РНК полімераза і з якої розпочинається транскрипція; 3) оператор ділянка промотора, яка може зв'язу- вати репресор; 4) структурні гени ділянки ДНК, які кодують іРНК конкретних білків; 5) термінаторна ділянка ДНК, яка несе сигнал про зупинку транскрипції. Особливості експресії генів в еукаріотів. Принцип експресії та її регуляції однаковий яку про- каріотів, так і в еукаріотів. Однак останні, особливо Рис. 1.65 Фу н к ц і он у ванн яла кто з ног о оперону Е. со і : / репресія; II індукція. 106 багатоклітинні, більш складні організми, тому ек- спресія їх генів складніша і дещо відрізняється за деталями. Зокрема, можна відзначити наступні особливості експресії в еукаріотів: 1. Геном вищих еукаріотів значно складніший (на- приклад, гаплоїдний геном людини має приблизно 40000 генів, розташованих у 23 хромосомах, ау прока- ріотів є тільки одна хромосома і близько тисячі генів). 2. У клітинах еукаріотів ядерна оболонка просто- рово розділяє процеси транскрипції і трансляції, хро- мосоми знаходяться в ядрі, а рибосоми в цитоплазмі. Експресія генів в еукаріотів включає набагато більше етапів. Тому в них є такі механізми регуляції, які відсутні в клітинах прокаріотів, наприклад, процесинг. 3. На експресію еукаріотичних генів впливає ампліфікація генів багатократне збільшення числа копій однакових генів з метою інтенсифікації синтезу молекул, необхідних на певний момент часу (наприклад, послідовності ДНК, що повторюються, забезпечують сотні копій генів рРНК і тРНК). 4. У представників еукаріотів не встановлено повної оперонної організації генетичного матеріа- лу. Гени ферментів певного метаболічного ланцю- га можуть бути розташовані в різних хромосомах. Вони зазвичай не мають системи регуляції у ви- гляді гена регулятора, оператора і промотора, тому синтезовані в ядрах еукаріотів іРНК моноцистронні. Регуляція активності генів в еукаріотів складніша. В цьому процесі беруть участь відразу декілька генів регуляторів, тобто регуляція транскрипції еукаріотів є комбінативною. 5. Ще одна особливість геному еукаріотів на- явність спеціальних "підсилювальних" сегментів ДНК енхансерів. Вони можуть розташовуватися на великій відстані від промотора. їх функція участь в регуляції активності структурних генів. Препромо торний елемент і енхансер регулюються відповідни- ми регуляторними білками. Деякі білки регулятори виконують координуючий вплив на активність бага- тьох генів, тобто вони мають плейотропну дію. 6. Геном еукаріотів зазнає регуляторного впли- вуз боку ендокринної системи організму. Багато гор- монів є індукторами транскрипції. Зокрема, це сто- сується стероїдних гормонів, які зворотно зв'язу- ються з білками рецепторами, що переносять їх у ядро. Такий комплекс зв'язується зі специфічною ділянкою хроматину, відповідальною за регуляцію 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя генів (наприклад, тестостерон активізує гени, що виз- начають розвиток організму за чоловічим типом. 7. Відомо, що регуляція активності генів еукаріо- тів повязана з утворенням комплексу ДНК з білка- ми хроматину. У такому вигляді гени нуклеосом не здатні до транскрипції. Тому необхідною умовою є часткова декомпактизація хроматину й ослаблення зв'язків з гістоновими білками. Однак повна нуклео сомна організація хроматину в процесі транскрипції не втрачається. 8. Контроль експресії генів в еукаріотів здійс- нюється також на стадії трансляції (наприклад, шляхом впливу на фактор ініціації трансляції. Тому, навіть за наявності в цитоплазмі іРНК, синтезу на ній може не відбуватися). 9. Деякі гени еукаріотів декілька раз повторюють- ся, а певні ділянки ДНК взагалі не відіграють гене- тичної ролі, наприклад, сателітна ДНК. Геном еукарі- отів "надлишковий". Унікальні властивості геному еукаріотів у різних видів складають 15 98 %. У лю- дини унікальні послідовності нуклеотидів складають 56 %. Крім цього, у геномах еукаріотів містяться по- слідовності, що повторюються кілька десятків, сотень і навіть мільйонів раз. Вони знаходяться серед унікаль- ної ДНК. До таких послідовностей належать елемен- ти з непостійною локалізацією. їх називають транс позонами, або мобільними елементами. Гени, що повторюються, виконують різноманітну біологічну роль регуляції відтворення ДНК, участь у кросинго- вері, позначення межі між екзонами й інтронами тощо. Унікальна ДНК входить до складу структурних генів, але більше половини її не буває активною. 10. Регуляція експресії генів еукаріотів може здійснюватися на стадії посттрансляційних змін (на- приклад, для утворення активної форми білкового гормону інсуліну, із молекули проінсуліну вирізають- ся два ланцюжки, що згодом зшиваються дисуль фідними зв'язками). На початку 40 х років XX ст. дослідження гриба нейроспора дозволило сформулювати поняття про ген як ділянку геному, яка в мейозі виділяється у 107 1.2.3.11 Ген як одиниця генетичної інформації Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини вигляді окремої одиниці і відповідає за прояв певної фенотипної ознаки. Було визнано, що один ген кодує один поліпептидний ланцюг. Останнім часом стало відомо, що ген (бази ген) має складну внутрішню будову (цистрон, ре кон, мутона окремі його ділянки визначають певні функції. Під терміном "ген" розуміють послідовність нук леотидів у ДНК, яка обумовлює певну функцію в організмі або забезпечує транскрипцію іншого гена Н. П. Бочков, 2002). Отже, одна і та ж ДНК по слідовність може кодувати не один, а декілька різних поліпептидів. Більшість генів мають до 50000 пар нуклео тидів. Ген як одиниця генетичної інформації забезпе- чує такі функції: • зберігання спадкової інформації; • керування біосинтезом білків та інших спо- луку клітині; • редуплікації ДНК і РНК (подвоєння генів під час поділу); • репарації (відновлення) пошкоджених ДНК і РНК • забезпечення спадкової мінливості клітин і організмів; контроль за індивідуальним розвитком клітин і організмів; • явище рекомбінації. Клітини функціонують завдяки скоординованій дії генів. Так, у геномі людини у виконанні функцій бере участь різна кількість генів: синтез РНК і білків 22 %, обмін (метаболізм) 17 %, клітинний поділ 12 %, клітинні сигнали 12%, захист клітини 12%; клітинні структури 8 %. Гени утворюють функціональні групи, які забез- печують синтез первинного продукту ферментів, модуляторів функцій білків, рецепторів, транскрип- ційних факторів, внутрішньоклітинного матриксу, по- заклітинного матриксу, трансмембранних перенос- ників, гормонів, імуноглобулінів. Найбільшу функціональну категорію складають гени, які кодують утворення ферментів (31 % за- гального числа, на частку модуляторів функції білків припадає 13,6% генів, на інші категорії менше 10 % загального числа генів. 108 Синтез ряду ферментів залежить від умов сере- довища, в яких знаходиться клітина (такі ферменти називають індуцибельними). Виявилося, що сама речовина (субстрат, яка надходить у клітину з нав- колишнього середовища, є індуктором вмикання оперону Субстрат з'єднується з білком репресором оперону, переводить йогов неактивну форму (відок- ремлює від гена оператора. Отже, оперон вми- кається і починається транскрипція з усіх структур- них генів, внаслідок чого синтезуються необхідні ферменти, які розщеплюють даний субстрат. Хоча ген регулятор продовжує синтез нових молекул білків репресорів, вони зв'язуються з субстратом і ген оператор залишається вільним, а оперон ввімкненим. Поки в середовищі є субстрат, доти утворюється фермент, який його розщеплює. Якщо ж субстрату середовищі буде витрачений, репре сор не інактивується. Він приєднується до оператора ДНК і блокує роботу структурних генів. Синтез ферментів може не тільки індукуватися, але й пригнічуватися. Наприклад, в результаті ланцюга реакцій у клітині утворюється кінцевий продукт "Д" у більшій кількості, ніж це необхідно клітині. Це може порушити нормальний хід реакцій обміну, тому в клітині виникає необхідність зупинити даний процес. Речови- на "Д" вступає в реакцію з відповідним білком репре- сором і переводить йогов активний стан. Після цього відбувається приєднання репресора до гена оператора, тим самим вимикається вся система оперону і синтез ферментів припиняється. Таким чином, галь- мування синтезу здійснюється кінцевим продуктом, що утворюється в результаті реакції. Це приклад по- зитивної регуляції. Такий механізм дії називається ре- гуляцією за принципом зворотного зв'язку. На основі цього контролюється синтез тих ферментів, які потрібні за даних умов. Наприклад, відповідно до наявної ге- нетичної програми кишкова паличка може синтезува- ти кілька десятків ферментів, що розщеплюють різні речовини, оскільки склад середовища, який оточує бак- терії, дуже мінливий. За цих умов постійне утворення ферментів було б неекономічним для клітини, тому що недоцільно утворювати одночасно 60 80 ферментів, із яких за даних умов середовища можуть знадобити 1.2.3.12 Молекулярно генетичне підтримування гомеостазу клітинного середовища 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя ся лише 6 8. У природі добір відбувається за принципом найбільшої економії, тому клітини, що функ- ціонують більш економічно, краще пристосовуються і швидше розмножуються. Це призвело до виникнення й удосконалення системи регуляції метаболізму. 1.2.3.13 Сучасний стан теор і ї гена Внаслідок досліджень елементарних одиниць спадковості виникли поняття, що носять загальну назву теорії гена. Основні положення цієї теорії такі: 1. Ген займає певну ділянку (локусу хромосомі. 2. Ген (цистрон) частина молекули ДНК, що має певну послідовність нуклеотидів і є функціональною одиницею спадкової інформації. Кількість нуклеотидів, які входять до складу різноманітних генів, різна. 3. Всередині гена можуть відбуватися рекомбі- нації (відповідні ділянки цистрона рекони) і мутації (відповідні ділянки цистрона мутони). 4. Існують структурні і регуляторні гени. 5. Структурні гени кодують синтез білків. 6. Регуляторні гени контролюють і спрямовують діяльність структурних генів. 7. Ген не бере участі в синтезі білків, він є матрицею для утворення посередників різних молекул РНК, які безпосередньо беруть участь у синтезі. 8. Розташування триплетів із нуклеотидів у структурних генах колінеарне до амінокислот у полі пептидному ланцюгу, який кодується даним геном. 9. Молекули ДНК здатні до репарації, тому не всі пошкодження гена ведуть до мутації. 10. Генотип є дискретним (складається з окре- мих генів), але функціонує як єдине ціле. На функ- цію генів впливають фактори як внутрішнього, так і зовнішнього середовища. |