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

Генетические механизмы экспрессии генов были изучены у микроор-

ганизмов французскими генетиками Ф. Жакобом и Ж. Моно.

25

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 нук-

леотидов 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 последова-

тельности ДНК, найденные в геномах всех организмов. Во многих геномах

они находятся в изобилии: например, они составляют до 50 % человече-

ской 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 перестрой-

ки ДНК, такие как делеции, дупликации и инверсии.

Мобильные элементы бывают 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 непосредст-

венно с перемещением. Неавтономные транспозоны для транспозиции ну-

ждаются в ферментах, кодируемых автономными транспозонами.

У человека транспозоны были обнаружены в 1991 г., когда Фрэнсис

Коллинз и его коллеги обнаружили 31-летнего человека с нейрофиброма-

тозом, вызванным перемещением последовательности Alu. Нейрофиброма-

тоз — болезнь, которая вызывает многочисленные опухоли кожи и нервов.

В настоящее время установлено, что от 45 до 50 % (по данным разных ав-

торов) человеческого генома состоят из последовательностей, происходя-

щих 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 неиз-

вестно, но были предложены 3 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 копи-

роваться и распространяться.

26

Один или несколько структурных генов, расположенных в бактери-

альной 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 (рисунок 3).

Активатор Промотор Оператор

1

2

3

Терминатор

Рисунок 3 — Структура лактозного оперона

Основу генетического аппарата кишечной палочки составляет бакте-

риальная хромосома, входящая в состав нуклеоида. Нуклеоид этой бакте-

рии включает различные участки, в т. ч. и лактозную область (lac оперон).

Последняя область включает 3 гена, кодирующие 3 фермента:

β-галактозидазу, пермеазу и трансацетилазу (1, 2, 3), участвующих в мета-

болизме 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 бе-

лок-активатор — Сар-белок, активизирующий катаболические гены. Без

этого белка фермент РНК-полимераза не может связаться с опероном и на-

чать транскрипцию. Сар-белок предварительно активизируется сам при-

сутствующим в клетке циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ).

Вслед за этим участком лежит промотор. Это последовательность нуклео-

тидных пар, опознаваемая РНК-полимеразой. РНК-полимераза прикрепляется

к промотору и затем продвигается вдоль оперона, транскрибируя его. За про-

мотором находится оператор, состоящий из 21-й пары нуклеотидов, который

играет важную роль в регуляции работы оперона, т. к. с ним может связывать-

ся особый белковый фактор — регуляторный белок. Заканчивается laс оперон

терминатором — небольшим участком ДНК, служащим стоп-сигналом, пре-

кращающим продвижение РНК-полимеразы и транскрипцию оперона.

Основная регуляция работы структурных генов laс оперона осуществ-

ляется регуляторным белком, который кодируется геном-регулятором.

Этот белок синтезируется в клетке непрерывно, но в очень небольшом ко-

личестве (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 препят-

ствует продвижению РНК-полимеразы от промотора к структурным генам,

которые оказываются репрессированными. Синтез кодируемых ферментов

не идет. При поступлении в питательную среду лактозы регуляторный бе-

лок связывается с лактозой раньше, чем его молекулы достигнут операто-

ра, и сильно изменяет свою структуру, вследствие чего теряет способность

присоединяться к оператору. РНК-полимераза свободно продвигается по

27

оперону, транскрибирует структурные гены и в клетке начинается синтез

всех 3-х ферментов, необходимых для усвоения лактозы, т. е. происходит

индукция (экспрессия гена). При этом типе регуляции экспрессии генов

лактоза выполняет роль эффектора — низкомолекулярного вещества, из-

меняющего свойства белка при соединении с ним.

Регуляция активности генов у эукариот изучена менее полно, чем у ви-

русов и прокариот, что обусловлено наличием у них ядра, сложно устроен-

ных хромосом и дифференциацией клеток. Допускается, что в основе регу-

ляции 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 бы-

вает 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 ак-

тивности генов во всем ядре, в целой хромосоме, или в большом ее участ-

ке. Такая групповая репрессия генов осуществляется в значительной мере

гистонами — белками, входящими в состав эукариотических хромосом.

Пример групповой регуляции активности генов — это полное прекраще-

ние транскрипции всех генов при сперматогенезе;

4) существует система регуляции с помощью стероидных гормонов.

Последние связываются со специальными белками-рецепторами, располо-

женными в мембранах клеток-мишеней. Синтез белков-рецепторов кон-

тролируется геном тестикулярной феминизации Х-хромосомы. Такой ком-

плекс 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 кон-

троль синтеза гемоглобинов у человека. Известно, что гемоглобин челове-

ка является тетрамером, т. е. состоит из 4-х субъединиц. У взрослого чело-

века они представлены парными полипептидными цепями. Каждая цепь

контролируется определенным генным локусом (таблица 1).

Таблица 1 — Генный контроль синтеза гемоглобинов у человека

28

Вид Hb

HbА

HbА₂

HbF

Hbs

Полипептидные цепи

2α, 2β

2α, 2σ

2α, 2γ

2α, β, β^6-вал

Генные локусы

αА, βА

αА, σА2

αА, γ^F

αА, βА'

НbА и НbА₂относятся к нормальным гемоглобинам человека. В эрит-

роцитах плода около 80 % гемоглобина представлено формой НbF, его мо-

лекула состоит из 2-х цепей α и 2-х цепей γ. У больных серповидноклеточ-

ной анемией имеется особый гемоглобин Нbs, который отличается от нор-

мального НbА тем, что у него в одной β цепи в 6-м положении глутамино-

вая кислота заменена валином. Существует мутантная форма гемоглобина —

НbC. В нем в 6-м положении глутаминовая кислота заменена лизином.

Этот вариант гемоглобина назван «С» по названию города, у жителя кото-

рого 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 γ^Fопределяет синтез γ цепи в гемоглобине НbF в течение

внутриутробной жизни;

— локус σА2 определяет синтез σ цепей в гемоглобине НbА₂в течение

всей жизни после рождения.

Локусы αА, βА, σА2, γ^Fтесно сцеплены в хромосоме. Все 4 указанных

генов — структурные. В их действии имеется сложная экспрессия, благо-

даря чему возникают 4 типа гемоглобинов.

Экспрессия генов βА, σА2 находится под влиянием генов-регуляторов.

У взрослого человека происходит замена НbF плода на НbА или НbА₂.

При этом происходит репрессия гена γ^Fи включение гена βА. Взаимо-

действие генов αА, βА, σА2 определяет развитие нормального гемоглобина и

является примером межгенного взаимодействия.

При формировании гемоглобина серповидноклеточной анемии наблю-

дается 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 после-

довательности аминокислот в полипептиде.

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

29