WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 11 |

coli. Для каждого оперона имеются свои специфические индукторы и функциональные сайты управления. Каждый из них функционирует и регулируется независимо друг от друга. Поэтому, меняя локализацию оперонов в геноме или перенося в другие клетки, можно добиваться их экспрессии, что используют в работе по в генетической инженерии. В настоящее время в геноме кишечной палочки выявлено и предсказано 2584 оперона.

Предлагая модель лактозного оперона, Ф. Жакоб и Ж. Моно думали, что их модель универсальна и применима для про- и эукариот (“Что верно для E. coli, верно для слона”). Но это оказалось не так. У эукариот опероны не обнаружены. У прокариот же регуляция активности генов настолько разнообразна, что практически нет двух одинаково регулирующихся оперонов. Но сам принцип, предложенный французскими учеными, был верен и для прокариот, и для эукариот. У всех организмов есть как структурные гены (несущие информацию о структуре полипептидов или различных типах РНК), так и регуляторные (не имеющие кодирующей функции, но управляющие работой структурных генов путем присоединения к ним различных белковых факторов). В результате присоединения регуляторных белков соответствующие гены либо включаются (позитивный контроль), либо выключаются (негативный контроль).

2.2. Каскадный тип регуляции экспрессии генов у эукариот Регуляция активности генов у эукариот гораздо сложнее и менее изучена, чем у прокариот. Это связано, прежде всего, с особенностями организации их геномов.

1. С наличием у эукариот обособленного от цитоплазмы клеточного ядра и сложно устроенных хромосом. Присутствие ядерной оболочки у эукариот привело к тому что транскрипция и трансляция оказались у них, разделенными во времени и в пространстве. Транскрипция происходит в ядре, трансляция – в цитоплазме. У прокариот эти процессы осуществляются одновременно и координированно: вновь синтезированная мРНК у них немедленно приступает к трансляции, в то время как конец ее молекулы еще продолжает транскрибироваться с ДНК. Существуют различные уровни компактизации (укладки ) ДНК в составе эукариотической хромосомы. Причем уровень транскрипционной активности зависит от степени конденсированности хроматина – вещества, из которого состоят хромосомы. Плотная компактизация ДНК в комплексе с белками (гистонами и негистоновыми белками) делает хроматин недоступным для действия ферментов. Только в декомпатизированном состоянии гены доступны для ферментов, осуществляющих репликацию и транскрипцию.

2. Развитие большинства эукариот связано с дифференциацией клеток. Большинство эукариот является многоклеточными организмами, у них в отдельных органах и тканях клетки специализированы по функциям.

Кроме того, геномы различных эукариотических организмов содержат значительно больше генов, чем геномы прокариот. У человека, например, по последним данным в геноме содержится 32 тысячи генов, у нематоды – 19 тыс. генов, дрозофилы – 13,6 тыс. генов, арабидопсиса – 25 тыс. генов, тогда как у бактерии E. coli – около 4 тыс. генов. Причем, все клетки в многоклеточном организме имеют идентичный набор генов (т.е. генетически одинаковую информацию). Однако все гены никогда не экспрессируются в клетке одновременно. Дифференциация органов и тканей в онтогенезе организмов, развивающихся из одной клетки (зиготы), происходит благодаря дифференциальной активности генов (дифференциальной транскрипции) на разных этапах индивидуального развития, в различных типах клеток. Переключение синтеза с одних белков на другие лежит в основе всякого индивидуального развития. Дифференциальная активность генов определяется генотипом и зависит также от воздействия факторов среды. В результате наборы мРНК и белков различны в разных типах клеток, на разных этапах их развития. Два основных фундаментальных механизма обеспечивают дифференциальную активность генов: индукция активности (транскрипции) и генетическое молчание - “сайленсинг”. На ци тологическом уровне сайленсинг проявляется в формировании гетерохроматина (плотно компактизованных участков хроматина).

В ходе индивидуального развития (онтогенеза) эукариот происходит постепенная инактивация генома и в дифференцированных клетках большинство генов находится в репрессированном состоянии. Но по мере дифференцировки клеток начинают функционировать тканеспецифические гены, транскрипционная активность которых постепенно возрастает. Число же активно работающих структурных генов различно в различных тканях и органах, на разных стадиях развития. В этом отношении все структурные гены эукариот условно делят на 2 типа: 1) гены “домашнего хозяйства”, функционирующие во всех клетках организма независимо от степени их дифференцировки, на всех стадиях развития; к ним относятся гены, коди рующие белки гистоны, рРНК, тРНК, ДНК-полимеразуи др. 2) “гены роскоши”, функционирующие в клетках одной ткани (например, гены, детерминирующие синтез миозина в мышечной ткани) или специфичные для одного типа клеток (например, гены гемоглобина в эритроцитах).

Регуляция действия генов у эукариот может происходить на любом этапе белкового синтеза ДНКРНКбелок: контроль на уровне транскрипции, процессинга мРНК, трансляции и посттрансляционного изменения белков. В самом общем виде регуляция действия генов на уровне транскрипции осуществляется в процессе компактизации и декомпактизации участков ДНК хромосом. Контроль на уровне транскрипции зависит от регуляторных белков, связывающихся с определенными последовательностями ДНК. Причем белков-регуляторов (репрессоров и активаторов) у эукариот значительно больше, чем у прокариот. Регуляторные последовательности ДНК необходимы как для инициации транскрипции, так и для регуляции ее скорости и интенсивности. Причем механизм регуляции транскрипции у эукариот более гибкий, чем у прокариот. У прокариот регуляция активности генов в большинстве случаев происходит по принципу “все или ничего”. У эукариотических клеток возможна нюансированная регуляция – от полной экспрессии до полной репрессии, что достигается путем локальной модификации ДНК, изменением внутриклеточных условий и др.

2.2.1. Регуляция активности генов на уровне транскрипции Энхансеры и сайленсеры – регуляторные участки гена У эукариот системы оперона отсутствуют, но у них имеются специ фические элементы регуляции, такие как энхансеры (усилители) и сайленсеры (глушители). Это короткие нуклеотидные последовательности. Действие тех и других элементов связано с изменением структуры хроматина.

Энхансерные последовательности служат в качестве специфических участков связывания особых регуляторных белков (белковых факторов), активирующих процесс транскрипции. Например, энхансер вируса животных SV-40 размером 72 пн (в геноме которого впервые были найдены такие элементы регуляции) может усиливать транскрипцию глобинового гена в 200 раз. Энхансеры могутрасполагаться в любой ориентации и на различных расстояниях от промотора: не только в 5’- конце (рядом с промотором), но и в тысячах пар нуклеотидов от промотора - в середине гена, в его 3’-области, входить в состав интронов. Причем, этот тип контроля генной активности на расстоянии является скорее правилом, чем исключением. Как эти белки могутдействовать на больших расстояниях Согласно самой простой модели, ДНК между энхансером и промотором образует петлю, в результате чего белки, связанные с энхансером, непосредственно взаимодействуют с одним из общих факторов транскрипции или с молекулой самой РНК-полимеразы (рис.16). С помощью белков- регуляторов каждый ген специфически включается или выключается. Их наборы различаются в разных клетках и у разных генов. Фактически каждомуоргано- или тканеспецифическомугену соответствует свой энхансер.

Согласованная регуляция генов У эукариот отсутствуют опероны, подобные оперонам бактерий. Гены, контролирующие различные этапы одного и того же пути метаболизма, как правило, случайно разбросаны по всемугеному. Они могутрасполагаться в разных участках одной хромосомы или даже в разных хромосо- мах и обычно не образуют скоплений, напоминающих оперон. Тем не менее, для эукариот характерна согласованная (координированная) регуляция генов, пространственно разобщенных. В ответ на действие различных ин - Факторы транскрипции Факторы транскрипции ДНК ген Энхансер Промотор Направление транскрипции Участок, разделяющий промотор и энхансер, может иметь длину в несколько тпн Энхансер РНК-полимераза II Промотор Усиление транскрипции Рисунок 16. Упрощенная схема регуляции транскрипции гена с помощью энхансерных участков дукторов (например, гормонов, высокой температуры и др.) активизируется целая батарея генов. Этомуспособствует существование гомологичных повторов с 5-конца у разных генов. Сигналы индукции служат как бы “ключами”, отпирающими один и тот же “замок” в различных генах одной группы (как правило, кодирующих белки со сходной функцией). Так, введение в организм животного гормона гидрокортизона активизирует группугенов печени, среди которых находятся как гены, кодирующие определенные белки, так и гены рРНК и тРНК. Примером согласованной регуляции генов также является активизация генов БТШ (белков теплового шока) в ответ на тепловой шок (см. ниже).

Гомеобокс и его участие в регуляции генов Особый тип регуляции генной активности был установлен при изучении генного контроля формирования сегментального плана строения тела у дрозофилы. Американский ученый В. Геринг с коллегами в 90-х гг.

XX века, применив новые методы молекулярной биологии к анализуразвития дрозофилы, обнаружил, что многие гены, контролирующие пространственную организацию развития эмбриона, содержат один и тот же сегмент ДНК в виде специфической консервативной последовательности длиной 180 пн, расположенной в 3-концевых частях генов. Эта последовательность (размером 180 пн), которая имела наибольшую гомологию у многих генов, получила название гомеобокс, т.к. впервые была выявлена в гомеозисных генах дрозофилы (т.е. в генах, участвующих в регуляции дифференцировки и развития), а позже была обнаружена во многих регуляторных генах. Так, при некоторых мутациях гомеобокссодержащих генов (например, мутации гомеозисных генов Antennapedia, контролирующих развитие головных сегментов) на голове умушек вместо антенн начинают развиваться ноги. Гомеобокс кодирует соответствующий ему фрагмент белковой молекулы длиной 60 аминокислотных остатков. Его назвали гомеодоменом. ДНК-связывающий домен полипептида относится к регуляторным белкам (домен – это участок полипептида, выполняющий определенную функцию). Т.е. гены, входящие в состав гомеобокса, обладают способностью регулировать активность других генов путем связывания образующейся при их трансляции аминокислотной последовательности с двойной спиралью ДНК, включая или выключая при этом определенные гены. Гены, обладающие гомеобоксом, выявлены также у нематод, червей, жуков, морских ежей, лягушек, кур, мышей и человека. У дрозофилы обнаружено свыше 20 генов, содержащих в своем составе гомеобокс.

Метилирование ДНК как способ контроля активности генов Метилирование – процесс присоединения к нуклеотиду метильной группы (-CH3). Метилазы (метилтрансферазы) – ферменты, присоединяющие метильную группу к определенным азотистым основаниям в ДНК.

Это обратимая химическая модификация азотистого основания. В природе широко распространено метилирование цитозина. В результате присоединения метильной группы к углероду в 5-ом положении молекулы цитозина, входящих в состав динуклеотидной последовательности –CG (это мишени метилирования ДНК), образуется 5-метилцитозин. Каждый сайт метилирования наследуется при репликации дочерними молекулами ДНК.

Метилирование ДНК широко представлено в геномах разных организмов (бактерий, растений, насекомых, млекопитающих) и имеет большое значение для их развития. Так, в геноме млекопитающих, в том числе учеловека, 70-80% молекул цитозина в составе динуклеотидов 5-CG-3 (CpG ди нуклеотиды ) представлены 5-метилцитозином.

В начале 80-х годов была выявлена корреляция между характером экспрессии генов и степенью метилирования ДНК. Сателлитная ДНК обычно метилирована в значительно большей степени, чем ДНК структурных генов. Метилированная ДНК обычно ассоциирована с неактивным состоянием генов, а диметилированная – с активацией генов. Т.е. ДНК неактивных генов метилирована сильнее, чем ДНК активных генов. Метилирование ДНК может включать в себя прямое подавление транскрипции путем сворачивания метилированного промотора в сильнокомпактизованную, не доступную для транскрипционных факторов структуру. Степень метилирования ДНК меняется в процессе развития, а также зависит от возраста организма и гормональных воздействий. Статус метилирования в клетке может изменяться под влиянием вредных экологических факторов, в частности, тяжелых металлов.

Метилирование ДНК – один из основных механизмов эпигенетической изменчивости, под которой понимается изменения дифференциальной экспрессии генов, наследуемые в ряду митотических делений клетки без изменения первичной последовательности нуклеотидов ДНК. В настоящее время считается, что метилирование ДНК изменяет взаимодействие между ДНК и белками, входящими в состав хроматина (вещества хромосом) и именно это взаимодействие через механизм компактизации - декомпактизации хроматина регулирует экспрессию генов. Только в декомпактизированном состоянии гены как участки молекулы ДНК становятся доступными ферментам, осуществляющим транскрипцию.

Предполагается, что метилирование играет важную роль в защите генома от мобильных генетических элементов, а также в инкативации перенесенных в клетку “чужеродных” генов. Известно, что значительную часть ДНК человека (до 45%) занимают вирусные и бактериальные гены (или их фрагменты), которые встроились в геном за многие века эволюции.

Академик РАН Л.Л. Киселев называет их “молекулярным кладбищем” генома. К счастью, большинство вирусных генов очень сильно метилированы и поэтомунеактивны (“молчат”). Кроме того, известны примеры, когда с понижением степени метилирования многие транспозоны (мобильные генетические элементы) активизировались, а частота мутаций возрастала в десятки раз. Приводятся данные о том, что для раковых клеток характерно, с одной стороны, снижение уровня метилирования геномной ДНК в целом, а с другой – повышенное содержание метильных групп в генах, сдерживающих превращение обычных клеток в раковые.

С метилированием ДНК связывают такое явление, как импринтинг = ядерная память (эффект гаметного/генного запечатления; от англ. imprint – оставлять отпечаток, запечетлевать). Это один из вариантов эпигенетической наследственности. Импринтинг представляет собой зависимость проявления (экспрессии) гена от того, от кого наследуется данный ген (от матери или отца), чьи метилируются нуклеотидные последовательности (генов отцовского или материнского генома). Так, ген, пришедший от отца, может быть сильнее метилирован и неактивен, тогда как гомологичный материнский ген может активно транскрибироваться, что может проявиться в непредсказуемом наследовании признаков (даже если это однояйцовые близнецы). Т.е. в участках генома, подверженных импринтингу, экспрессируется только один аллель – отцовский или материнский.

У человека с феноменом импринтинга связан целый ряд наследственных заболеваний.

Еще один пример. Самки млекопитающих обладают двумя половыми Х-хромосомами. Гены в этих половых хромосомах детерминируют дифференцировку пола на ранних стадиях эмбриогенеза, после чего одна из Х-хромосом инактивируется (гетерохроматизируется), превращаясь в тельце Барра (половой хроматин). Этим достигается сбалансированность эффекта генов Х-хромосом и аутосом, равное для самок и самцов. Считается, что в инакативации одной из двух хромосом участвуют процессы метилирования (сначала Х-хромосома конденсируется, а затем происходит метилирование некоторых ее генов). Это неактивное состояние наследуется в клеточных поколениях. Путем деметилирования с помощью 5азацитозина удавалось активизировать гены неактивной Х-хромосомы.

Регуляция генной активности под действием сигналов внутренней среды Примером регуляции действия генов под действием сигналов внутренней среды является образование хромосом типа “ламповых щеток” в диплотене мейоза. Это гигантские хромосомы, обнаруживаемые в первичных ооцитах позвоночных (рыб, птиц, амфибий, рептилий, морских ежей и др.). Мейоз надолго (до нескольких месяцев) приостанавливается в профазе I мейоза на стадии диплотены. В течение этого времени в ооците происходит очень интенсивный синтез молекул РНК, ферментов и запасных белковых продуктов, необходимых для роста яйца и развития зародыша после оплодотворения. В течение этого периода хромосомы пребывают в сильно декомпактизированном состоянии, принимая гигантские размеры.

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 11 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.