WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |

На более поздних стадиях мейоза хромосомы становятся компактными. На стадии диплотены хромосомы имеют хромомерное строение. Гомологичные хромосомы соединены попарно (образуют биваленты). Характеризуются наличием большого количества парносимметричных разноразмерных боковых петель, каждая из которых представляет раскрученную (деспирализованную) хромомеру (рисунок 17). На петлях происходит синтез мРНК.

Рисунок 17. Схема строения хромосомы типа “ламповых щеток” а- бивалент с двумя хиазмами, парное расположение боковых петель;

б- пара петель на сестринских хроматидах.

Вытянутые петли, а также многочисленные РНК-транскрипты придают хромосомам необычный “мохнатый” вид - вид щеток (ершиков). В старину такими ершиками чистили стекла керосиновых ламп. Отсюда и название. К концу профазы петли снова втягиваются. В образовании петли участвует сразуне весь отрезок ДНК, а в каждый момент только часть этого отрезка. Волна –деспирализации продвигается по немупостепенно, пока он не будет полностью транскрибирован. Петли на хромомерах различны по величине, поскольку деспирализация проходит в разных по величине хромомерах.

Регуляция активности генов при действии экстремальных факторов Механизм такой регуляции обеспечивается процессами, которые стремятся вернуть клетку в прежнее состояние. Важной особенностью подобной регуляции является обратимость. Гены, кодирующие адаптивные (стрессовые) белки, образование которых резко увеличивается под влияни ем различных стрессовых факторов (повышение температуры, отравление металлами), содержат в составе промоторов дополнительные короткие нуклеотидные последовательности.

Например, в ответ на повышение температуры выше физиологической (тепловой шок) вырабатываются белки теплового шока (БТШ), быстрое накопление которых в клетке обеспечивает физиологическую адаптацию к изменившимся условиям среды. Это уникальный механизм адаптивной модификации. Гены, кодирующие такие белки, подробно охарактеризованы у дрозофилы.

Открытие БТШ началось с работ Ф. Ритосса (1962 г.), который, помещая личинок дрозофилы в условия повышенной температуры (370С), наблюдал в гигантских политенных хромосомах образование специфического набора пуфов (от 5 до 10) там, где они не появлялись при нормальной температуре. Такие пуфы возникали также в ответ на воздействие других повреждающих факторов (радиации, химических веществ). Пуфы теплового шока появлялись в течение первой минуты после воздействия на личинки и через 30-40 мин исчезали. Причем, одинаковые пуфы образовывались во всех клетках и т.к. впервые они наблюдались в ответ на тепловой шок, и это сопровождалось синтезом одних и тех же мРНК и белков, такие белки получили название БТШ. Синтез же ранее синтезировавшихся, типичных для клетки белков и мРНК прекращался, но трансляция генов гистонов, рРНК, тРНК и митохондрий сохранялась на прежнем уровне. В дальнейшем выяснилось, что реакция теплового шока развивается у дрозофилы при действии многих повреждающих агентов, например, антибиотика антимицина А, гидроксиламина, колхицина, хлорида аммония и др.

Синтез БТШ – это стрессовая программа, включаемая тепловым шоком (при подъеме температуры на 8-100С выше нормальной) или многочисленными другими стрессовыми факторами. Включение генов БТШ определяется регуляторными зонами генов БТШ (HSE), проявляющих значительное структурное сходство уразличных организмов. В ответ на стресс особый полипептид – фактор транскрипции при тепловом шоке (HSTF или HSF) связывается с регуляторной зоной генов теплового шока (HSE), имеющей последовательность – CNNGAANNTTCNNG (где N- любой нуклеотид) и включает активную транскрипцию данных генов. О существенной роли БТШ в жизни клеток говорит их высокая консервативность в эволюции. Так, БТШ в клетках E. coli, растений, насекомых и млекопитающих проявляют большую степень гомологии по аминокислотной последовательности. Механизмы такой регуляции обеспечиваются процессами, которые стремятся вернуть клетку в прежнее состояние. Важной особенностью такой регуляции является обратимость. После окончания теплового шока синтез БТШ прекращается и возобновляется синтез белков, характерных для клетки в нормальных температурных условиях. Если подавить синтез БТШ, клетка не сможет вернуться к синтезу нормальных белков при понижении температуры.

Как показали дальнейшие исследования, БТШ образуются в результате теплового шока и у других организмов: дрожжей, кукурузы, ящерицы, курицы, мыши и человека, что свидетельствует об их универсальности.

БТШ выполняют функции шаперонов – белков, способствующих формированию правильной пространственной конфигурации других белков, нативная (правильная) конфигурация которых нарушается при действии различных экстремальных факторов.

Регуляция экспрессии генов под действием гормонов Значительную роль в регуляции действия генов у эукариот играют также гормоны. Среди гормонов регуляторами действия генов выступают половые гормоны, адреналин, гормоны роста, гормоны щитовидной железы и др. Для каждого из них имеются группы компетентных клеток, которые содержат специальные рецепторные белки, с которыми специфически связываются молекулы гормона. Белки -рецепторы обеспечивают реакцию клеток на воздействие различных гормонов, активируя или подавляя экспрессию определенных генов. Различают пептидные и стероидные гормоны. Пептидные (инсулин) и стероидные (эстроген и тестостерон) представляют собой две сигнальные системы, используемые организмом в межклеточных коммуникациях. Синтезируясь в специальных секреторных клетках, гормон высвобождается из них, поступает в кровяное русло, а затем в ткани. Крупные молекулы пептидных гормонов не проникают в клетки и их эффекты обеспечиваются белками-рецепторами, локализованными на мембранах клеток-мишеней. Образующийся гормон-рецепторный комплекс (при взаимодействии гормонов с их рецепторами на клеточной оболочке) проникает в ядро и, связываясь со специфическими участками хроматина, переводит его в функционально активное состояние (рисунок 18). Следствием этого является транскрипция данного гена, созревание мРНК, транспорт ее в цитоплазмуи синтез белка.

Каскадная регуляция Генная активность может регулироваться в процессе развития организма – в онтогенезе. Каскадная регуляция – характерная особенность экспрессии генов у эукариот. Это дифференцированное включение и выключение генов в процессе онтогенеза в отдельных тканях и органах. Каскадная регуляция происходит на фоне согласованной регуляции в действии многих генов. Т.е. происходит строго упорядоченная во времени и пространстве скоординированная экспрессия сотен и тысяч генов.

рецептор гормон гормон-рецепторный комплекс Рисунок 18. Схема образования гормон-рецепторного комплекса и его взаимодействия со специфическим участком хромосомы Одним из важных регуляторов образования пуфов в гигантских хромосомах двукрылых (а следовательно, и дифференциальной транскрипции генов у насекомых) являются стероидные гормоны, в частности, гормон линьки (окукливания) – экдизон. Экдизон определяет переход личинок в стадию куколки, включая (и выключая) многочисленные батареи генов, функционирующих в самых разнообразных органах. Действие гормона ведет к дифференциальной активности генов в гигантских хромосомах слюнных желез. По мере хода онтогенеза и дифференцировки гены вступают в действие в разное время и в разных соотношениях, что проявляется в возникновении по мере развития новых и исчезновении старых пуфов.

Каждая стадия развития личинки или предкуколки характеризуется определенным набором (паттерном) пуфов. Показано также влияние белков, синтезированных ранними пуфами, на развитие поздних пуфов. Т.е. продукты генов предшествующих стадий развития активизируют новые генные наборы в последующие стадии: имеется преемственность в экспрессии генов ранних и более поздних стадий. При образовании пуфов происходит изменение структуры хроматина - его декомпактизация. Исследованиями наших российских генетиков И.Ф. Жимулева, Е.С. Беляевой и др. в начале 80-х гг. было установлено, что каскад изменений генной активности в свою очередь находится под генетическим контролем. Ими впервые был открыт и клонирован ген, работающий как включатель (ген-триггер), названный впоследствии BR-C, мутации которого делают клетку нечувствительной к гормону. Связано это с тем, что ген BR-C кодирует фактор транскрипции, запускающий весь каскад генной активности, индуцируемый экдизоном. Белок оказался очень консервативным и контролирует экдизонную индукцию у всех насекомых. В те же годы теми же авторами был открыт ген swi, контролирующий передачу сигнала от ранних пуфов поздним.

Немаловажное значение в регуляции действия генов принадлежит и мобильным генетическим элементам, которые могутиграть роль мигрирующих промоторов, объединяя структурные гены и регуляторные элементы и настраивая их на общие сигналы регуляции.

2.2.2. Регуляция активности генов на уровне процессинга мРНК Созревание первичных РНК-транскриптов, включающее удаление интронов (сплайсинг) и образование зрелых мРНК, может служить в качестве еще одного уровня контроля экспрессии генов.

Регуляция активности генов может происходить и при альтернативном сплайсинге. В этом случае возможно использование разных экзонов одного гена для образования мРНК. Т.е. один и тот же ген может служить матрицей для нескольких белков. Так, ген Broad-Complex играет важную роль в развитии дрозофилы, в частности, в осуществлении превращения (метаморфоза) из личинки в муху. Это очень большой ген, он занимает около 120 тпн. В пределах гена выявлены десять экзонов, за счет комбинаций которых синтезируется 15 различным мРНК. Каждая из этих мРНК транслируется в определенной группе клеток, и в этих клетках синтезируется один из вариантов белка, в других клетках – другой набор экзонов и другой белок и т.д. Таким образом, один-единственный активирующий сигнал (гормон экдизон) включает только один ген, но синтезируется много различных белков за счет альтернативного сплайсинга.

Бактерии, гены которых не имеют экзон-интронной структуры, лишены такого способа регуляции экспрессии генов.

2.2.3. Регуляция активности генов на уровне трансляции Регуляция на уровне трансляции встречается реже, чем на уровне транскрипции.

Возможность регуляции на уровне трансляции у эукариот основана на сохранении в цитоплазме избыточных молекул мРНК в виде информосом (т.е. внутриклеточных частиц, содержащих молекулу мРНК в комплексе с белками, защищающими ее от действия нуклеаз), открытых А.С.

Спириным в 1964 г. Эти резервные мРНК могутбыть использованы клеткой в случае возросшей потребности организма на соответствующий белок в процессе онтогенеза.

Другой пример - регуляция трансляции с помощью антисмысловых РНК (асРНК), комплементарных “смысловой” мРНК. АсРНК транскрибируется, как правило, с начальной части регулируемого гена (не более пн), но с другой (антипараллельной) нити ДНК. Она не является матрицей для синтеза белка. Ее роль – образовать дуплекс на 5-конце РНК (с которого идет трансляция) и тем самым предотвратить ее трансляцию.

Посттрансляционная модификация синтезированных клеткой белков Активность многих белков, кодируемых определенными генами, при одной и той же аминокислотной последовательности может быть разной за счет их посттрансляционной модификации - фосфорилирования, ацетилирования, а в ряде случаев расщеплением исходной полипептидной цепи на более мелкие фрагменты. При этом меняется конформация белковой молекулы, а соответственно и ее функции.

Широко распространен также механизм регуляции активности ферментов путем присоединения к ним молекулы – эффектора. Чаще всего в роли эффекторов выступают конечные продукты цепей биосинтеза, которые связываются с первым или одним из первых ферментов данного метаболического пути и подавляют его активность, выключая тем самым всю цепь синтеза. При этом происходит ингибирование действия гена конечным продуктом.

2.2.4. Регуляция клеточного цикла Клеточный (митотический) цикл – это период существования клетки от одного деления до последующего. Клеточный цикл у большинства соматических клеток высших эукариот подразделяют на 4 стадии: 1) G1 (от англ. gap – промежуток, пропуск) - предсинтетический период, или период подготовки к синтезуДНК, в котором каждая из гомологичных хромосом представлена одной хроматидой (одной копией); 2) S – синтетический период, в который происходит репликация ДНК (синтез сестринских хроматид); 3) G2 - постсинтетический период, или период подготовки к клеточномуделению, каждая хромосома представлена двумя сестринскими хроматидами; 4) M - клеточное деление – митоз, происходит формирование веретена деления и расхождение сестринских хроматид каждой хромосомы к полюсам. Фазы G1, S и G2 вместе составляют интерфазу (рисунок 19).

- Check-point GS M дифференцировка GGРисунок 19. Схема клеточного цикла Это однонаправленный процесс, где клетка последовательно проходит разные его периоды, без их пропуска и возврата к последующим стадиям. Вступив в клеточный цикл, клетка его заканчивает синтезом ДНК и делением клетки. Выделяют еще G0-период (период покоя), в который клетки могутпереходить из фазы G1. У многоклеточных зрелых организмов большая часть дифференцированных клеток перестает делиться и находится G0-периоде (“вне цикла”), но при определенных условиях (например, под действием специфических белковых факторов) может снова дедифференцироваться и вступать в клеточный цикл. К активно делящимся клеткам взрослых организмов относятся кроветворные, базальные клетки эпидермиса и тонкой кишки. Они могутвходить в клеточный цикл каждые 12-36 часов. В настоящее время установлено, что прохождение клетки по всем периодам клеточного цикла строго генетически контролируется.

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2001г. присуждена трем ученым: Л. Хартвеллу (США), Т. Ханту и П. Нерсу (Англия) за исследования в изучении регуляции клеточного цикла, которые они выполнили на модельном объекте – дрожжах.

Ими были открыты гены, продукты которых участвуют в регуляции клеточного цикла и установлено, что ключевыми компонентами, вовлеченными в регуляторные события, являются белки циклины (cyclins) и циклин-зависимые киназы – протеинкиназы (cdk – cyclin dependent kinases). Циклин-зависимые киназы (существует несколько разновидностей белков-ферментов) присутствуют в клетке постоянно. Например, cdk28 отвечает за “старт” многих событий – запускает репликацию ДНК, формирование митотического веретена и др. Однако они находятся в клетке в неактивном состоянии и не могутсамостоятельно регулировать прохождение клетки по периодам клеточного цикла. Активность cdk регулируется белками-циклинами, которые образуют комплекс с протеинкиназами (cyc/cdk) и начинают фосфорилировать свои белки -мишени, что, в свою очередь, активирует гены, продукты которых необходимы на следующей фазе цикла. Циклины присутствуют в клетке непостоянно. Причем, синтез каждого циклина происходит в строго определенный период клеточного цикла. Отработав свое, они быстро разрушаются и клетка снова становится чувствительна к сигналам, регулирующим деление. Так, если клетка не выросла до необходимых размеров и окружающая среда не является оптимальной, клетка будет оставаться в G1, т.е. не будет сигнала к делению.

Если не завершилась репликация всей ДНК, клетка не выросла до необходимых размеров и факторы среды вне значений оптимума, клетка не способна перейти к стадии М. При неправильной сборке веретена и при отсутствии полных связей микротрубочек (из которых состоят нити веретена) с кинетохорами хромосом клетка не перейдет из метафазы в анафазумитоза.

У дрожжей функционирует один и тот же cdk, но на разных стадиях клеточного цикла он взаимодействует с разными циклинами. У млекопитающих в реализации всего цикла участвует 9 различных циклинов и разных cdk.

Установлено, что циклины почти не изменились в процессе эволюции. Они сходны у дрожжей и человека, т.е. они достаточно универсальны.

Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 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.