Механизмы генной регуляции у про- и эукариот. Экспрессия генов.

Центральная догма молекулярной биологии: один ген – один фермент и ее современная трактовка.

В сороковые годы Д. Бидл и Э. Татум выдвинули гипотезу: «Один ген – один фермент». Сегодня, несколько изменив первоначальную формулировку можно сказать: «Один ген – один белок или один ген – один полипептид». Хотя эта концепция сохраняет свое значение и по сей день, она уже недостаточно современная, т.к. известно, что существуют белки, которые кодируются генами, распределенными вдоль всего генома. Молекула ДНК (гена) выполняет различные функции. В ней имеются не только нуклеотидные последовательности, несущие генетическую информацию, но и такие, которые контролируют экспрессию (проявление) генов и репликацию.

Генетические механизмы экспрессии генов были изучены у микроорганизмов французскими генетиками Ф. Жакобом и Ж. Моно.

Главное положение этой теории состоит в том, что в ДНК имеются следующие типы генов:

1) структурные – последовательность их нуклеотидов кодирует структуру синтезируемых клеткой макромолекул (полипептидов, белков, р-РНК, т-РНК);

2) функциональные или акцепторные – последовательность их нуклеотидов не имеет кодирующей функции, но с помощью присоединения к ним разных белковых факторов управляют работой структурных генов. К ним относят: регуляторы, операторы, модификаторы.

3) Транспозоны – это мобильные генетические элементы (мобильные ДНК, подвижные гены).

Мобильные генетические элементы –это мобильные последовательности ДНК, найденные в геномах всех организмов. Во многих геномах они находятся в изобилии: например, они составляют до 50% человеческой ДНК. Большинство транспозонов способны встраиваться в различные участки ДНК. Они часто вызывают мутации, либо включаясь в другой ген и нарушая его нуклеотидную последовательность, или вызывая перестройки ДНК, такие как делеции, дупликации и инверсии.

Мобильные элементыбывают автономными и неавтономными. Среди автономных, одни из них имеют только те последовательности, которые необходимы для их собственного перемещения, тогда как другие – имеют сложную структуру и кодируют ряд функций, не связанных непосредственно с перемещением. Неавтономные транспозоны для транспозиции нуждаются в ферментах, кодируемых автономными транспозонами.

У человека транспозоны были обнаружены в 1991, когда Фрэнсис Коллинз и его коллеги обнаружили 31-летнего человека с нейрофиброматозом, вызванным перемещением последовательности Alu. Нейрофиброматоз – болезнь, которая вызывает многочисленные опухоли кожи и нервов. В настоящее время установлено, что от 45 до 50% (по данным разных авторов) человеческого генома состоят из последовательностей, происходящих от мобильных элементов, хотя большинство этих элементов является бездействующими и не способны к перемещению. Из них, около 2% – это ДНК транспозоны и приблизительно 42% – ретротраспозоны.

Эволюционное значение мобильных генетических элементов неизвестно, но были предложены три гипотезы, объясняющие их происхождение. Гипотеза «клеточной функции» предполагает, что мобильные элементы обеспечивают какую-то важную функцию клетки. Гипотеза «генетической изменчивости» предполагает, что мобильные элементы, вызывая мутации, обеспечивают эволюционную гибкость видов. Гипотеза «эгоистичной ДНК» предполагает, что мобильные элементы не приносят какую-либо пользу клетке, но широко распространены из-за того, что они могут копироваться и распространяться.

Один или несколько структурных генов, расположенных в бактериальной или вирусной «хромосоме» рядом с группой регуляторных генов, представляют вместе единицу генетической регуляции – оперон.

Принципы работы оперона прокариот рассмотрим на примере работы оперона кишечной палочки (E. coli), ответственного за усвоение лактозы у этой бактерии (Рис 3).

активатор промотор оператор терминатор

Рис. 3 — Структура лактозного оперона

Основу генетического аппарата кишечной палочки составляет бактериальная хромосома, входящая в состав нуклеоида. Нуклеоид этой бактерии включает различные участки, в том числе и лактозную область (lac оперон). Последняя область включает 3 гена, кодирующие 3 фермента: β‑галактозидазу, пермеазу и трансацетилазу (1, 2, 3), участвующих в метаболизме лактозы. Все гены laс оперона транскрибируются в одну и-РНК, которая транслируется с образованием 3-х белков.

Оперон начинается с участка, к которому присоединяется особый белок-активатор – Сар-белок, активизирующий катаболические гены. Без этого белка фермент РНК-полимераза не может связаться с опероном и начать транскрипцию. Сар-белок предварительно активизируется сам присутствующим в клетке циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). Вслед за этим участком лежит промотор. Это последовательность нуклеотидных пар, опознаваемая РНК-полимеразой. РНК-полимераза прикрепляется к промотору и затем продвигается вдоль оперона, транскрибируя его. За промотором находится оператор, состоящий из 21 пары нуклеотидов, который играет важную роль в регуляции работы оперона, так как с ним может связываться особый белковый фактор – регуляторный белок. Заканчивается laс оперон терминатором – небольшим участком ДНК, служащим стоп-сигналом, прекращающим продвижение РНК-полимеразы и транскрипцию оперона.

Основная регуляция работы структурных генов laс оперона осуществляется регуляторным белком, который кодируется геном-регулятором. Этот белок синтезируется в клетке непрерывно, но в очень небольшом количестве (одновременно в цитоплазме присутствует не более 10 молекул). Регуляторный белок обладает сродством с оператором laс оперона, и если в питательной среде нет лактозы, то прикрепляется к оператору и препятствует продвижению РНК-полимеразы от промотора к структурным генам, которые оказываются репрессированными. Синтез кодируемых ферментов не идет. При поступлении в питательную среду лактозы регуляторный белок связывается с лактозой раньше, чем его молекулы достигнут оператора и сильно изменяет свою структуру, вследствие чего теряет способность присоединяться к оператору. РНК-полимераза свободно продвигается по оперону, транскрибирует структурные гены и в клетке начинается синтез всех трех ферментов, необходимых для усвоения лактозы, т.е. происходит индукция (экспрессия гена). При этом типе регуляции экспрессии генов лактоза выполняет роль эффектора – низкомолекулярного вещества, изменяющего свойства белка при соединении с ним.

Регуляция активности генов у эукариот изучена менее полно, чем у вирусов и прокариот, что обусловлено наличием у них ядра, сложно устроенных хромосом и дифференциацией клеток. Допускается, что в основе регуляции действия генов у эукариот лежат механизмы, в принципе сходные с таковыми у вирусов и прокариот. Однако, есть и существенные отличия.

1) Почти всегда оперон эукариот содержит только один структурный ген в то время как у вирусов и прокариот в большинстве оперонов их бывает несколько, иногда более десятка.

2) У эукариот структурные гены, ответственные за разные звенья той или иной цепи биохимических реакций, как правило, разбросаны по геному, а не сосредоточены в одном опероне, как это часто имеет место у прокариот.

3) У эукариот существует одновременное групповое подавление активности генов во всем ядре, в целой хромосоме, или в большом ее участке. Такая групповая репрессия генов осуществляется в значительной мере гистонами – белками, входящими в состав эукариотических хромосом. Пример групповой регуляции активности генов – это полное прекращение транскрипции всех генов при сперматогенезе.

4) Существует система регуляции с помощью стероидных гормонов. Последние связываются со специальными белками-рецепторами, расположенными в мембранах клеток-мишеней. Синтез белков-рецепторов контролируется геном тестикулярной феминизации Х хромосомы. Такой комплекс обеспечивает активацию определенного гена.

5) Транскрипция и трансляция у эукариот разобщены (у прокариот – сопряжены): синтез и-РНК происходит в ядре, а белков – в цитоплазме на рибосомах. Без гормонального сигнала, некоторые и-РНК остаются не транслированными.

Примером сложной экспрессии генов может служить генный контроль синтеза гемоглобинов у человека. Известно, что гемоглобин человека является тетрамером, то есть состоит из четырёх субъединиц. У взрослого человека они представлены парными полипептидными цепями. Каждая цепь контролируется определенным генным локусом (Табл. 1).

Таблица 1 — Генный контроль синтеза гемоглобинов у человека

Вид Hb Полипептидные цепи Генные локусы
HbА HbА2 HbF Hbs 2α, 2β 2α, 2σ 2α, 2γ 2α, β, β6-вал αА, βА αА, σА2 αА, γF αА, βА'

НbА и НbА2 относятся к нормальным гемоглобинам человека. В эритроцитах плода около 80% гемоглобина представлено формой НbF, его молекула состоит из двух цепей α и двух цепей γ. У больных серповидноклеточной анемией имеется особый гемоглобин Нbs, который отличается от нормального НbА тем, что у него в одной β цепи в 6-ом положении глутаминовая кислота заменена валином. Существует мутантная форма гемоглобина – НbC. В нем в 6-ом положении глутаминовая кислота заменена лизином. Этот вариант гемоглобина назван «С» по названию города, у жителя которого была впервые обнаружена мутация – Christchurch (Новая Зеландия), хотя встречается преимущественно в Западной Африке.

Четыре типа гемоглобинов контролируются отдельными генами:

- локус αА определяет формирование α цепей в течение всей жизни у всех четырех гемоглобинов;

- локус βА контролирует формирование β цепей только в НbА после рождения;

- локус γF определяет синтез γ цепи в гемоглобине НbF в течение внутриутробной жизни;

- локус σА2 определяет синтез σ цепей в гемоглобине НbА2 в течение всей жизни после рождения.

Локусы αА, βА, σА2, γF тесно сцеплены в хромосоме. Все четыре указанных генов – структурные. В их действии имеется сложная экспрессия, благодаря чему возникают четыре типа гемоглобинов.

Экспрессия генов βА, σА2 находится под влиянием генов-регуляторов. У взрослого человека происходит замена НbF плода на НbАили НbА2.

При этом происходит репрессия гена γF и включение гена βА. Взаимодействие генов αА, βА, σА2 определяет развитие нормального гемоглобина и является примером межгенного взаимодействия.

При формировании гемоглобина серповидноклеточной анемии наблюдается межаллельное взаимодействие аллели βА и ее патологической аллели.

Вышеизложенные данные позволили сформулировать современную теорию гена, которая утверждает:

1. Ген занимает определенный локус в хромосоме.

2. Ген – часть молекулы ДНК; число нуклеотидов в гене неодинаково.

3. Внутри гена может происходить рекомбинация и мутация.

4. Существуют структурные и функциональные гены.

5. Структурные гены контролируют синтез полипептидов, т-РНК и р‑РНК.

6. Функциональные гены контролируют деятельность структурных генов.

7. Расположение триплетов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептиде.

8. Генотип, будучи дискретным, функционирует как единое целое.