РЕГУЛЯЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

На протяжении длительного времени ученые задавались вопросом: кто включает и выключает гены в нашем организме? Почему в одних тканях и органах работают одни гены, в других органах другие гены? например, когда мы что-то съедаем, как узнают клетки желудка, что надо выпускать определенные ферменты? В 1961 г. два французских ученых Франсуа Жакоб и Жак Люсьен Моно при изучении кишечной палочки добавляли в питательную среду разные сахара (глюкозу, сахарозу, лактозу), и каждый раз микробы начинали выпускать ферменты именно против этих сахаров, т. е. они разлагали данные сахара и использовали их для питания. Как только этот сахар исчезал, выпуск данных ферментов прекращался. В конце конов они пришли к выводу, что существует 2 группы генов:

1) Регуляторные гены («гены-господа»);

2) Структурные гены («гены-рабы»).

Именно главные гены решают, какие ферменты запустить. Они назвали это оперонной системой, регулирующей генетическую активность.

Первый оперон (lac-оперон) состоял:

активатор – промотор – оператор – спейсер – ген z – ген y – ген a –терминатор

Недалеко от него был регуляторный ген. Оператор работает так: синтезируется РНК, которая поступит на рибосомы, далее вырабатывается фермент, микроб переваривает лактозу.

Оказалось, что если в окружающей среде появилась лактоза, и ее надо съесть, к промотору присоединяется РНК-полимераза, и начинается биосинтез, образуется иРНК, образуются ферменты на рибосомах, которые переваривают лактозу. Лактоза исчезла, ферменты не нужны. Тогда с регуляторного гена постоянно образуется маленький регуляторный белок, и когда нет лактозы в окружающей среде, регуляторный белок присоединяется к оператору, теперь РНК-полимераза блокируется, дальше иРНК не образуется, ферменты также не образуются. Если в окружающей среде вновь появляется лактоза, то она имеет сродство к маленькому белку, образует конформацию, белок отпадает, РНК-полимераза вновь может считывать, лактоза вновь переваривается. Оказалось, что микроб разборчив, в смеси он начинает съедать в первую очередь глюкозу, т. к. она более энергетически ценна. Чтобы это не работало, другим оператором вырабатывается ЦАМФ (циклический аденозинмонофосфат). Присоединяется РНК-полимераза, и вновь процесс запускается.

Оказалось, что опероны бывают разные: одни катаболические, т. е. предназначенные для переваривания, а другие анаболические, они должны синтезировать что-то новое. Кроме того, различают негативный контроль и позитивный контроль генетической активности, это различие связано с тем, что при негативном контроле (к которому относится лактозный оперон) регуляторный белок блокирует транскрипцию, а при позитивном контроле все наоборот – присоединение регуляторного белка резко усиливает процессы транскрипции, например, к таким оперонам относят арабинозный оперон, т. е. оперон, предназначенный для биосинтеза ферментов, способствующих катаболизму арабинозы (сложный сахар).

Долгое время искали опероны, связанные с анаболизмом, первый такой оперон был связан с биосинтезом аминокислоты триптофана. Описал его американский ученый Чарльз Яновский. Этот оперон кодирует 5 ферментов, данные ферменты превращают простое вещество хоризмата в триптофан в результате пяти биохимических реакций. Здесь стратегия работы оперона несколько иная. Если в окружающей среде уже имеется триптофан, и он не нужен для биосинтеза белка, то нужно срочно остановить биосинтез триптофана, потому что триптофан сам по себе токсичен. Поэтому когда в окружающей среде имеется триптофан, он соединяется с белком регулятором, и этот комплекс присоединяется к оператору и РНК-полимераза не может двигаться вперед. Однако дальнейшие исследования показали, что за оператором имеется т. н., лидерная последовательность и участок, который стали называть аттенюатор, эти участки предназначены для очень тонкой регуляции активности этого оперона. Установлено, что поскольку процессы транскрипции и трансляции происходят одномоментно, то рибосомы, как только образовался кусочек иРНК, садятся на нее и двигаются точно вслед за тем, как движется РНК-полимераза. Если РНК-полимераза останавливается, то эти рибосомы скапливаются около РНК-полимеразы. Оказалось, что в аттенюаторе имеются стоп кодоны, в принципе, РНК-полимераза через них в норме не может пройти, но если происходит скопление рибосом, то происходит изменение конформационной структуры ДНК с образованием шпильки, и рибосома может миновать стоп кодон.

Оказывается, перед стоп кодоном друг за другом стоят кодоны УГГ, а этот кодон требует триптофан в белке, и если в окружающей среде нет триптофана, рибосомы не могут двигаться дальше, образуется «куча мала» из рибосом, стоп кодон уходит в шпильку и РНК-полимераза может двигаться вперед. Она прошла этот путь, на основе нее синтезируется 5 ферментов для синтеза триптофана, он появился в окружающей среде, рибосомы больше не останавливаются, шпилька расправляется, и следующие порции РНК-полимераз уже не могут пройти через это место.

Лактозный оперон (LAC-оперон) – негативный контроль, индуцируемый оперон, а триптофановый оперон – репрессируемый оперон с негативным контролем. Присоединение регуляторного белка в одном из случаев индуцирует транскрипцию, а в другом подавляет транскрипцию.

У эукариот в настоящее время различают несколько видов структурных генов. Во-первых, функционирующие гены разделяются на гены-ингибиторы, подавители, и гены интенсификаторы (которые наоборот усиливают), гены-интеграторы, гены, объединяющие усилия нескольких генов и гены модификаторы, которые способны к модификации продукта. Также выделены регуляторные гены. И гены-операторы, при этим регуляция генетической активности происходит на генном, транскрипционном, трансляционном и функциональном уровнях. Генный уровень связан с количеством и локализацией генов, имеется явление, называемое амплификацией генов. Количество генов может изменяться, открыты мигрирующие гены и поэтому в зависимости от того, в какое место встроился мигрировавший ген, там и изменится регуляция генетической активности. У эукариот все клетки многоклеточного организма содержат совершенно одинаковую ДНК, однако функционально и даже морфологически они отличаются, это связано с тем, что экспрессия (включение) генов в разных органах и тканях различна. Гены, которые работают во всех клетках одинаково стали называть «гены домашнего хозяйства», а гены, которые работают только в определенных клетках – «гены роскоши». В настоящее время процессы включения и выключения генов у эукариот и влияние внешней среды на этот процесс называют эпигенетика, она изучает явления развития фенотипов организмов при наличие одного и того же генов, т. е наследуемые изменения организма, которые связаны с изменением активности генов.

Впервые американская ученая Барбара Мак-Клинток при изучении наследования у кукурузы окраски зерен обнаружила т. н. «прыгающие» гены. Если раньше ученые полагали, что гены стабильно сцеплены друг с другом, то оказалось, что некоторые гены могут перемещаться по геному, эти гены в литературе называют по разному, чаще бигль (beagle) либо цыганка (gypsy), или транспозоны и инсекции. Барбара Мак-Клинток обнаружила следующие закономерности, два генетических элемента: диссоциатор и активатор, а ген окраски - ген С.

1) Если зерно белое, то следующие закономерности: внутри гена С – диссоциатор, и пигмент не образуется из за этого диссоциатора.

2) Ген С и диссоциатор отдельно, зерно желтое.

3) Появление гена активатора и либо диссоциатор вне (коричневое пятно), либо внутри гена (белое пятно).

В дальнейшем было установлено, что таким образом образуется пятнистость у животных, т. е. имеются мигрирующие гены, которые определяют эту окраску у животных. Активатор был в дальнейшем назван транспозоном, а диссоциатор - инсекцией. Изучение последовательностей нуклеотидов в активаторе-диссоциаторе показало, что диссоциатор похож на активатор по последовательности, только он утратил часть генетического материала, а активатор значительно больше, содержит два гена с ферментами резольваза и транспозаза. Резольваза способна вырезать диссоциатор, а транспозаза способна переместить и встроить этот участок в ген С. Активатор состоит из 4500 нуклеотидов. В диссоциаторе всего 194 нуклеотида. Последние исследования генома человека свидетельствуют, что в геноме огромное количество повторений генетических элементов, и они способны перемещаться и регулировать генетическую активность.


ГЕНЕТИКА СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК

С того момента, когда было установлено, что клетки человека могут жить и размножаться вне организма начинается отсчет генетики соматических клеток. В 1965 г. английский ученый Харрис впервые получил гибрид клетки человека и мыши, такие клетки называются гетерокарионы. В дальнейшем гибридизация соматических клеток человека сыграла определенную роль в исследовании генетики клеток человека:

1) были изучены механизмы активации и реактивации генов

2) степень фенотипического проявления отдельных генов соматических клеток

3) генетика клеточного деления

4) кротирование генов в хромосомах

5) изучены причины ракового перерождения клеток человека

Гибриды были получены с самыми разнообразными организмами. Известны цибриды, когда ядерный аппарат от одного организма и, например, митохондрии - от другого организма. Возможно создание цибридов, несущих цитоплазматические гены устойчивости к различным инфекциям. Гетерокарионы, могут существовать очень длительное время в культуре, поскольку здесь сливаются ядерные материалы двух организмов (46 хромосом чела и 40 хромосом мыши), то при дальнейшем культивировании начинается элиминация (выброс) хромосом человека, в конце концов получается т. н. синкарион, имеющий 40 хромосом мыши и, допустим, 1 хромосому человека. И возможно сравнить обычную клетку мыши с 40 хромосомами и вот этот синкарион с 1 хромосомой человека. Цитологически можно определить, какая это хромосома и посмотреть, а что лишнего продуцирует эта клетка относит нормальной клетки, какие другие ферменты продуцирует синкарион, все лишнее – продукция генов в данной лишней хромосоме, поэтому этот метод стал использоваться в котировании хромосом человека. Была разработана специальная селекционная система, с помощью которой можно было получать вот такого рода синкарион. Например, известно, что вирус полиомиелита проникает в клетки человека, прикрепляясь за рецепторы на поверхности клетки, а эти рецепторы являются продукцией гена 17 хромосомы кариотипа человека, значит, если в синкарионе есть 17 хромосома, то вирус уничтожит эти клетки. Кроме того, были получены т. н. микроклетки (клетки, содержащие небольшое количество хромосом). Эти микроклетки получали путем центрифугирования слившихся клеток при очень высоких оборотах, при этом в среду добавляли цитохолазин В, он нарушал клеточную мембрану, и клетки разваливались на маленькие фрагменты, в каждом из которых была цитоплазма и ядерный материал, затем эти микроклетки сливали с обычными клетками. Цибриды получают путем получения протопластов также при больших оборотах центрифугирования, ядро выбрасывается из цитоплазмы, и протопласт остается без ядра и его сливают с обычной клеткой.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Формы размножения организмов. Клонирование | ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ НАУКИ

Дата добавления: 2016-05-30; просмотров: 2774;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.01 сек.