Методические указания по молекулярной генетике указания обобщают современные данные в области молекулярной генетики, включая достижения науки последних лет, которые закладывают фундамент знаний, необходимых для дальнейшего обучения
 Скачать 273.42 Kb.
|
|
Посттранскрипционные процессы (процессинг). Это превращения, происходящие с первичным транскриптом, направленные на образование зрелой, стабилизированной иРНК, способной выполнять функцию матрицы при трансляции и защищенной от разрушающего действия специфических ферментов цитоплазмы. Основные стадии процессинга: 1. отщепление концевых участков первичного транскрипта (спейсеров); 2. формирование на 5/; конце колпачка, состоящего из особой последовательности нуклеотидов; 3. формирование на 3' конце полиадениловой последовательности нуклеотидов АААА: 4. метилирование некоторых внутренних азотистых оснований в транскрипте, стабилизирующее молекулу РНК; 5. вырезание неинформативных участков, соответствующих нитронам ДНК, и сшивание (сплайсинг) участков, соответствующих экзонам. Вырезание интронов происходит с участием сплайссом. Некодирующие последовательности - интроны превращаются в малую ядерную РНК (мяРНК). Выделено до 30 мяРНК, они участвуют в сплайсинге и ядерноцитоплазматическом транспорте белков. В результате процессинга у эукариот зрелая нРНК характеризуется следующими 10 особенностями строения: Кэп -особая последовательность нуклеотидов с метилированными основаниями, которая обеспечивает узнавание малых субъединиц рибосом; Лидер -вводная последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности в молекуле рРНК малой субъединицы рибосом, которая обеспечивает прикрепление иРНК к малой субъединице. Стартовый кодон - триплет нуклеотидов, кодирующий в большинстве случаев аминокислоту формилметионин (АУГ). Кодирующая часть - последовательность колонов, шифрующих определенную последовательность аминокислот в соответствующей пептидной цепи. Поли А-хвост - концевая часть молекулы иРНК, включающая нонсенс-кодон и поли-А последовательность. Трансляция - процесс сборки пептидной цепи, происходящей в цитоплазме на рибосомах на основании программы, содержащейся в иРНК. Основные фазы трансляции: 1) инициация; 2) элонгация; 3) терминация. Инициация трансляция предполагает следующие события: • с помощью колпачка иРНК находит в цитоплазме малую субъединицу рибосомы; • с помощью лидерной последовательности устанавливается связь с комплементарным участком определенной фракции рРНК и иРНК прикрепляется к малой субъединице; • к стартовому кодону (АУГ) присоединяется тРНК, несущая формилметионин; • малая субъединица ассоциируется с большой субъединицей в аминоацильном центре (АЦ), в которой располагается формилметионин. Таким образом, фаза инициация завершается формированием комплекса иРНК и рибосомы с подстановкой начальной для всех пептидных цепей аминокислоты - формилметионин. Фаза элонгации, т.е. наращивание пептидной цепи. Осуществляется путем постепенной подстановки аминокислоты в соответствии с очередным кодовом иРНК, который встает против аминоацильного центра. К этому кодону присоединяется соответствующая тРНК, имеющая комплементарный ему антикодон. Она несет определенную аминокислоту, которая располагается в аминоацильном центре (АЦ), тРНК, соединенная с предыдущим кодовом оказывается в пептидильном центре (ПЦ где располагает свою аминокислоту (цепочку АК). Между двумя аминокислотами, расположенными в пептидильном и 11 аминоацильном центре, при участии имеющихся здесь ферментов возникает пептидная связь: После установления пептидной связи предыдущая тРНК отделяется от своей аминокислоты и своего кодона и уходит в цитоплазму, а последняя тРНК, нагруженная цепочкой аминокислот, переходит в ПЦ, заставляя иРНК перемещаться вдоль рибосомы и устанавливать новый кодон против аминоацильного центра. После прохождения через рибосому всей кодирующей части иРНК на рибосоме собирается пептидная цепь с определенной последовательностью аминокислот. Фаза терминации наступает, когда в контакт с рибосомой приходит концевой участок иРНК, который включает нонсенс-кодон, не кодирующий никакой аминокислоты. На этом сборка пептидной цепи заканчивается. По мере освобождения 5/ конца иРНК колпачок может находить новые малые субьединицы рибосом и процесс трансляции может повторно осуществляться на новых рибосомах. Комплекс рибосом, находящихся в контакте с одной молекулой иРНК и синтезирующих одинаковые пептидные цепи, называется полирибосомой (полисомой). Посттрансляционные процессы. В ходе предыдущих этапов реализации наследственной информации обеспечивается синтез пептидной цепи, которая в большинстве случаев начинается с аминокислоты формилметионин и соответствует первичной структуре белковой молекулы. Последующие события заключаются в отщеплении формилметионина, в некоторых случаях осуществляется модифицирование пептида после трансляции, формируется вторичная и третичная структуры белка (иногда для некоторых белков, характеризующихся четвертичной структурой, осуществляется объединение одинаковых, либо различных пептидных цепей с образованием активно функционирующего белка). В зависимости от того, каковы функции белка (ферменты, строительный материал, антитела и т.д), он принимает участие в обеспечении морфо-функциональных особенностей клетки (организма), т.е. в формировании определенных сложных признаков. Это является завершающим этапом процесса реализации генетической информация. У эукариот образование РНК происходит и в цитоплазме: в митохондриях и хлоропластах (у растений), обладающих собственной системой синтеза белка и собственной генетической информацией в виде ДНК - цитоплазматическая наследственность, однако, система белкового синтеза в митохондриях и пластидах аналогична таковой у прокариот и существенно отличается от белкового синтеза в ядре высших животных. Гены, 12 расположенные в цитоплазме вне хромосом, называются плазмогенами. Ими объясняется особый тип наследования, при котором признак передается через цитоплазму яйцеклетки (по материнской линии). Уникальной остается родословная, по которой в семьях трех поколений родилось 72 девочки и ни одного мальчика. Предполагают, что мутацией митохондриальных генов объясняются некоторые пороки развития человека - Spina bifida (раздвоенный позвоночный столб), сращение нижних конечностей. Регуляция генной активности. Реализация наследственной информации в живых системах - это сложный процесс, требующий очень тонкой регуляции для того, чтобы обеспечить в определенных клетках в определенное время синтез определенных белков в необходимом количестве. Все клетки организма, возникая путем митоза, получают полноценный набор генетической информации, образуемый при оплодотворении родительских гамет. Несмотря на это, они отличаются по своим морфологическим, биохимическим н функциональным свойствам друг от друга. В основе этих различий лежит активное функционирование в разных клетках разных частей генома. Большая часть генома в клетках организма находится в неактивном -репрессивном состоянии в только около 10% генов дерепрессированы, т.е. активно транскрибируются. Спектр транскрибируемых генов зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее жизнедеятельности и периода индивидуального развития организма Регуляция активности генов может осуществляться на всех этапах реализации генетической информации, но наиболее экономически выгодной является регуляция на стадии транскрипции. Основная масса генов, активно функционирующих в большинстве клеток организма на протяжении онтогенеза, - это гены, которые обеспечивают синтез белков общего назначения (белки рибосом, хромосом, мембран и т.д.), тРНК и рРНК. Транскрибирование этих структурных генов обеспечивается соединением РНК-полимеразы с их промоторами и не подчиняется каким-либо другим регулирующим воздействиям. Такие гены называются конститутивными. Другая группа структурных генов, обеспечивающих синтез некоторых белков-ферментов, в своем функционировании зависит различных регулирующих факторов и называется регулируемыми генами. Их активное функционирование, скорость и продолжительность транскрибирования могут регулироваться как генетическими факторами, так и факторами негенетической природы. 13 Генетическими факторами регуляции транскрипции являются гены-регуляторы и операторы. Гены-регуляторы определяют синтез белков-регуляторов, способных в активном состоянии соединяться с оператором, включающим или выключающим транскрипцию структурных генов. В зависимости от свойств белка-регулятора различают негативный и позитивный контроль транскрипции со стороны гена-регулятора. При негативном контроле белок-регулятор, соединяясь с оператором, прекращает (выключает) транскрипцию. Такой белок называется репрессором. При позитивном контроле белок- регулятор, соединяясь с оператором, включает транскрипцию. В таком случае продукт гена-регулятора называется апoиндуктором . Таким образом, наряду со структурными генами в геноме имеются гены-регуляторы, которые, обеспечивая репрессию или депрессию структурных генов, регулируют процессы синтеза белка в клетке. Наряду с генетическими факторами в регуляции экспрессии генов важная роль принадлежат факторам негенетической природы - эффекторам. К ним относятся вещества небелковой природы, расщепляемые или синтезируемые в клетке при участии различных ферментов. В зависимости от того, как эффектор воздействует на активность генов, различают индукторы, включающие транскрипцию генов, и корепрессоры, выключающие ее. Действие эффектора заключается в его взаимодействии с белком-регулятором, при котором он либо активируется и может соединяться с оператором, либо инактивируется и теряет способность соединяться с оператором. Таким образом, экспрессия генов является результатом регулирующего воздействия на процессы транскрипции как со стороны самого генома (гены-регуляторы и операторы), так и со стороны факторов негенетической природы. Регуляция транскрипции у прокариот. Изучение регуляции экспрессии генов на стадии транскрипции у прокариот привело к созданию в 1961 г. модели оперона (Жакоб и Мано). Оперон -это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы ферментов для какой-либо одной из биохимических реакций. Особенностью прокариот является транскрибирование иРНК со всех структурных генов оперона. Такая полицистронная иРНК в дальнейшем разрезается на фрагменты, соответствующие матрицам для синтеза отдельных ферментов. Цепи структурных генов оперона всегда предшествует промотор, узнаваемый РНК-полимеразой. У 14 конститутивных генов этого достаточно для осуществления транскрипции. У регулируемых генов между промотором и структурными генами располагается оператор - последовательность нуклеотидов, которая узнается белком-регулятором (репрессором), находящимся в активном состоянии. Белок-репрессор представляет собой аллостерический белок, способный изменять свои биологические свойства при соединении с различными специфическими молекулами и обладает двумя высокочувствительными группами; одной из них он распознает оператор, другой - специфично связывает индуктор. Одновременно быть связанным с двумя молекулами он не может. Индуктор представляет низкомолекулярное вещество, которое связывается с репрессором и переводит его в неактивную форму, неспособную более связываться с оператором. Так, в Lac-системе индуктором является лактоза, после ассоциации с которой репрессор отсоединяется от оператора. При отсутствии в среде лактозы активный репрессор, взаимодействуя с оператором, репрессирует гены А, В, С - транскрипции нет. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором и осуществляется транскрипция генов А, В, С, отвечающих за синтез ферментов, которые расщепляют лактозу. Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к соединению активного репрессора с оператором и выключению транскрипции генов А, В, С. Регуляция экспрессии генов у эукариот. У эукариот не установлено оперенной организации генов. Гены, определяющие синтез ферментов одной цепи биохимических реакций, могут быть рассеяны в геноме и очевидно не имеют, как у прокариот, единой регулирующей системы. В связи с этим синтезируемые мРНК у эукариот моноцистронны, т.е. являются матрицами для отдельных пептидных цепей. В настоящее время механизмы регуляции активности эукариотических генов интенсивно изучаются. Установлено, что регуляция транскрипции у эукариот является комбинационной, т.е. активность каждого гена регулируется большим спектром генов- регуляторов. У многих эукариотических генов, кодирующих белки и транскрибируемых РНК-полимеразой II, в ДНК имеется несколько областей, которые узнаются разными белками-регуляторами. Одной из них является область, расположенная вблизи промотора. Она включает около 100 пар нуклеотидов, в том числе ТАТА-блок, располагающийся на расстоянии 25 пар нуклеотидов от точки начала транскрипции. Установлено, что для 15 успешного присоединения РНК-полимеразы II к промотору необходимо предварительное соединение с ТАТА-блоком особого белка - фактора транскрипции - с образованием стабильного транскрипционного комплекса. Именно этот комплекс ДНК с белком узнается РНК-полимеразой П. Другая область, играющая важную роль в регуляции активности эукариотических генов, располагается на большом расстоянии от промотора (до нескольких тысяч пар нуклеотидов) и называется ЭНХАНСЕРОМ (от англ. enhance - усиливать). И энхансер, и препромоторный элемент эукариотических генов - это короткие последовательности нуклеотидов, которые связываются с соответствующими регуляторными белками. В результате взаимодействия этих белков происходит включение или выключение генов. Особенностью регуляции экспрессии эукариотических генов является также существование белков-регуляторов, которые способны контролировать транскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белки-регуляторы. В связи с этим некоторые (главные) белки-регуляторы обладают координирующим влиянием на активность многих генов и их действие характеризуется плейотропным эффектом. Ввиду того, что в геноме эукариот имеется много избыточных ДНК, а в каждой клетке организма транскрибируется всего 7-10% генов, логично предположение о том, что у них преобладает позитивный генетический контроль, при котором активация небольшой части генома оказывается более экономичной, нежели репрессия основной массы генов. Несомненной особенностью регуляции транскрипции у эукариот является подчиненность этих процессов регулирующим влияниям со стороны гормонов организма. Последние часто играют роль индукторов транскрипции. Примером участия гормонов в регуляции активности определенных генов может служить влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-рецептора. Отсутствие последнего при мутации соответствующего гена не дает возможности гормону проникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение определенного набора генов: развивается синдром тестикуляриой феминизации или синдром Морриса: особь с кариотипом ХУ, но внешне более сходны с женщиной, не способна иметь потомство, т.к. ее половые железы (семенники) недоразвиты, их выводные протоки часто формируются по женскому типу, вторичные половые признаки также характерно для женского пола. Следующая особенность регуляции генной активности у эукариот связан: с образованием комплекса ДНК с белками - хроматином. Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гистонам, поэтому они несомненно участвуют и в процессах регуляции 16 генной активности. Непременным условием для осуществления транскрипции у эукариот является предварительна декомпактизация хроматина на соответствующем участке, где временно утрачивается связь с Н1-гистонами и несколько ослабляется связь с нуклеосомными гистонами. Правда, нуклеосомная организация хроматина не утрачивается даже в ходе транскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых белков становится возможным и происходит дерепрессия гена. Для эффективной регуляции экспрессии генов у эукариот существуют механизмы, работающие не только на стадии транскрипции, но и на других этапах этого процесса. Связанная с экзон-интронной организацией генов необходимость процессинга, в том числе сплайсинга, делает возможным регуляцию этих процессов в ядре: используя один и тот же первичный транскрипт, можно обеспечить образование матриц для разных пептидов, вырезая из них разные последовательности или изменяя последовательности на 5' и 3' концах мРНК. Транспорт зрелых мРНК из ядра в цитоплазму также регулируется: лишь небольшая часть РНК, транскрибируемая с генов, после сплайсинга покидает ядро. Значительное количество ее деградирует. Существуют механизмы, обеспечивающие регуляцию процессов синтеза пептидных цепей. Они менее экономичны, но отличаются быстротой реагирования на изменения потребностей клетки в данном белке. Регуляция трансляции осуществляется на стадии инициации, когда блокируется присоединение к малой субъединице рибосомы тРНК, несущей формилметионин. В результате при наличии в цитоплазме иРНК трансляции на ней не происходит. Такая ситуация наблюдается, например, при отсутствии в цитоплазме гена, что ведет к выключению трансляции глобиновых цепей гемоглобина. Регуляция процесса реализации наследственной информация может осуществляться и на стадии посттрансляционных изменений, когда происходит задержка в формировании активных молекул белка при наличии пептидных цепей. Например, для формирования активной формы инсулина из проинсулина должны вырезаться две субъединицы. Торможение этих процессов уменьшает выход конечного активного продукта. Генетическая (генная) инженерия Генетическая (генная) инженерия - область молекулярной биологии и генетики, ставящая своей задачей конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой. Возникновение генетической инженерии стало возможным благодаря синтезу идей и методов молекулярной биологии, |