Регуляция синтеза ирнк и белка

Видео: Синтез белка

Все клетки организма, как бы они ни были дифференцированы, как правило, тождественны по генотипу. В каждой клетке `имеются все хромосомы и весь набор свойственных данному организму генов. Однако клетки разных тканей любого организма отличаются по качественному и количественному составу [белков. Различия наблюдаются даже в одной клетке в разное |время. Это говорит о том, что в клетке транскрибируются не все Ггены сразу, а только те, которые кодируют белки и ферменты, ^необходимые клетке в данный момент для выполнения ее функ-|ций. Отсюда следует, что в клетке должен существовать меха-пнизм, регулирующий активность генов и обеспечивающий в ргужное время синтез необходимых ей белков в достаточном ^количестве. На основании изучения синтеза ферментов у кишеч-1ной палочки французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно пред-рюжили теорию индукции (возбуждения) и репрессии (подавления) I белкового синтеза.

I По теории Ф. Жакоба и Ж. Моно, гены, влияющие на синтез рсакого-то фермента или белка, расположены в молекуле ДНК Последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход Цреакции синтеза. Такие гены были названы структурными. Шеред группой структурных генов расположен общий для них щген-оператор, а перед ним — промотор. В целом эта функциональная группа называется опероном. На структурных генах опе-|рона образуется одна общая молекула иРНК (полицистронная иРНК), так как структурные гены находятся одновременно в активном или неактивном состоянии. В той же молекуле ДНК на некотором расстоянии расположен ген-регулятор, под контролем которого вырабатывается белок, называемый репрессором. Молекула репрессора имеет два специфических участка — один для присоединения к оператору, другой для связывания индуктора. Присоединяясь к оператору, репрессор блокирует транскрипцию. Когда ферменты на данном опероне не синтезируются, репрессор соединен с геном-оператором. Синтез фермента начинается под влиянием индуктора. Индуктором является определенное химическое соединение, которое служит материалом для данного фермента, или сходное с ним вещество. Индуктор соединяется с репрессором и инактивирует его. Оператор освобождается, начинается синтез иРНК на структурных генах и соответственно синтез фермента.

Рассмотрим принципы функционирования оперона на примере регуляции синтеза ферментов, участвующих в усвоении лактозы кишечной палочкой (рис. 40). В лактозном опероне три структурных гена (гень генг, генз). Они занимают участок, включающий около 6000 нуклеотидных пар. Первым идет ген, определяющий структуру молекулы р-галактозидазы, вторым — ген, кодирующий галактозидпермеазу, и третьим — ген, кодирующий галактозидтрансацетилазу. Все три гена транскрибиру-ются вместе. РНК-полимераза присоединяется к промотору и продвигается вдоль оперона, транскрибируя его.

Активность структурных генов регулируется белком-репрессо-ром, который кодируется геном-регулятором. Репрессор вырабатывается в небольшом количестве непрерывно и, если нет в питательной среде лактозы, прикрепляется к оператору, препятствуя продвижению РНК-полимеразы от промотора к структурным генам. Гены оказываются репрессированными, и синтез трех кодируемых ими ферментов не осуществляется. При поступлении в клетку лактозы она быстро связывается с молекулами репрессора, освобождая ген-оператор. Это ведет к тому, что РНК полимеразы присоединяется к промотору и продвигается вдоль оперона, поочередно транскрибируя все три гена. В результате синтезируются ферменты, расщепляющие лактозу. Индукция вызывается тем, что белок-репрессор не прикрепляется к оператору. После полной утилизации лактозы белок-репрессор освобождается и вновь связывается с геном-оператором, и процесс синтеза уже ненужных ферментов прекращается.

Опероны анаболических ферментов, аминокислот и азотистых оснований функционируют по принципу обратной связи. В этом случае синтез ферментов идет только до тех пор, пока конечного продукта в клетке недостаточно. Избыток продукта репрессирует синтез ферментов, участвующих в его образовании.

Механизмы регуляции у эукариот значительно сложнее и менее изучены. Это связано со сложной дифференцировкой клеток разных органов и тканей. У эукариот выявлены гены, проявляющие активность во всех клетках организма. Они ответственны за образование структур, общих для всех клеток. Имеются гены, действие которых проявляется только в специализированных тканях. Кроме того, есть гены, ответственные за выполнение ограниченных функций — синтез гемоглобина, кератина волос и т. д. Это говорит о том, что и у эукариот должны быть механизмы регуляции генов. Возможно, эукариоты используют такой же механизм регуляции синтеза белков, как и прокариоты, но, кроме того, у них имеются и другие процессы регуляции, характерные для этих организмов.

У эукариот возможно одновременное групповое подавление активности генов: во всем ядре, в целой хромосоме или в большом ее участке. Предполагается, что такая репрессия генов осуществляется в значительной мере гистонами — основными белками, которые входят в состав хромосом эукариот. Примером групповой регуляции активности генов является полное прекращение транскрипции всех генов при спермиогенезе у животных. Считают, что такое выключение всех генов при образовании спермиев и постепенная их дерепрессия при эмбриогенезе связаны с изменениями белковых компонентов хромосом. Групповое выключение активности генов в одной из Х-хромосом наблюдается в онтогенезе у самок млекопитающих, обладающих двумя Х-хро-мосомами. В этих хромосомах находятся гены, детерминирующие дифференцировку пола на ранних стадиях онтогенеза. Затем одна из Х-хромосом инактивируется, превращаясь в так называемое тельце Барра. Этим достигается сбалансированность эффекта генов из Х-хромосом у самок и самцов.

Имеется много примеров, указывающих на большую роль гормонов в регуляции активности генов. Мы уже разбирали вопрос о том, что в гигантских хромосомах двукрылых можно обнаружить активно транскрибирующиеся участки, которые становятся разрыхленными и наблюдаются в виде пуффов. Пуффы появляются на разных стадиях развития в разных участках хромосом. Если вводить гормон экдизон особям, у которых выделение гормона еще не начиналось, то можно добиться появления пуффов, как при естественной секреции гормона. Вначале наблюдается появление «ранних» пуффов, а через 3—10 ч имеется уже около 100 «поздних» пуффов.

Гормон щитовидной железы, очевидно, влияет на проявление активности генов, обусловливающих процессы метаморфоза. При добавлении этого гормона в среду совершается быстрое превращение головастиков в лягушек. Известно, что гормон поджелудочной железы инсулин нормализует содержание глюкозы в крови. Вебер установил, что инсулин активирует три гена, которые кодируют ферменты, использующие глюкозу (гликолиз и синтез гликогена), и в то же время он является репрёссором для четырех генов, которые кодируют ферменты, влияющие на гли-конеогенез (синтез глюкозы из неуглеводистых веществ).

В последние годы исследуется роль гистонов и негистоновых хромосомных белков в регуляции действия генов. Исследования показывают, что гистоны, по-видимому, тормозяще действуют на синтез РНК. Например, у бобовых белок глобулин in vivo образуется только в семядолях. Однако если удалить из хроматина других частей растения гистоновые компоненты, то и в них in vitro будет синтезироваться тот же глобулин. Это говорит о том, что гистоны, по-видимому, блокируют гены. Негистоновые хромосомные белки представлены большим многообразием, обнаружено разное их содержание в хроматине различных тканей на разных стадиях развития. Предполагается, что они также участвуют в регуляции синтеза белка — снимают блокирующее действие гистонов. Однако регуляторная функция гистонов и негистоновых белков пока точно не выяснена. К механизмам регуляции синтеза белка относится синтез дополнительной ДНК, которая затем поступает в цитоплазму. В цитоплазме на ДНК синтезируется иРНК, а на ней белки, необходимые для клетки. В яйцеклетках амфибий и цитоплазме рыб в период роста и созревания ооцитов было обнаружено большое количество активной ДНК.

Таким образом, ДНК ядра может образовывать фракции, переходящие в цитоплазму- и синтез белка может регулироваться не только подавлением, но и усилением действия генов. Проблема регуляции действия генов у высших организмов имеет большое практическое значение в животноводстве и медицине. Структура ДНК определяет химическое строение и функции белков, т. е. их качественный состав. Но в процессах развития и жизни организма очень важное значение имеет и количество синтезируемого белка, а это связано с регуляцией активности генов. Установление факторов, регулирующих синтез белка, раскрыло бы широкие возможности управления онтогенезом, создания животных с более высоким уровнем продуктивности и лучшей устойчивостью к разного рода болезням.<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!