Регуляция синтеза иРнк и белка

Все клетки организма, как бы они ни были дифференцирова­ны, как правило, тождественны по генотипу. В каждой клетке имеются все хромосомы и весь набор свойственных данному организму генов. Однако клетки разных тканей любого организ­ма отличаются по качественному и количественному составу белков. Различия наблюдаются даже в одной клетке в разное время. Это говорит о том, что в клетке транскрибируются не все гены сразу, а только те, которые кодируют белки и ферменты, необходимые клетке в данный момент для выполнения ее функ­ций. Отсюда следует, что в клетке должен существовать меха­низм, регулирующий активность генов и обеспечивающий в нужное время синтез необходимых ей белков в достаточном количестве. На основании изучения синтеза ферментов у кишеч­ной палочки французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно пред­ложили теорию индукции (возбуждения) и репрессии (подавления) белкового синтеза.

По теории Ф. Жакоба и Ж. Моно, гены, влияющие на синтез какого-то фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход реакции синтеза. Такие гены были названы структурными. Перед группой структурных генов расположен общий для них ген-оператор, а перед ним — промотор. В целом эта функцио­нальная группа называется опероном. На структурных генах опе-рона образуется одна общая молекула иРНК (полицистронная и РНК), так как структурные гены находятся одновременно в активном или неактивном состоянии. В той же молекуле ДНК на некотором расстоянии расположен ген-регулятор, под контро­лем которого вырабатывается белок, называемый репрессором. Молекула репрессора имеет два специфических участка — один для присоединения к оператору, другой для связывания индукто­ра. Присоединяясь к оператору, репрессор блокирует транскрип­цию. Когда ферменты на данном опероне не синтезируются, репрессор соединен с геном-оператором. Синтез фермента начи­нается под влиянием индуктора. Индуктором является опреде­ленное химическое соединение, которое служит материалом для данного фермента, или сходное с ним вещество. Индуктор со­единяется с репрессором и инактивирует его. Оператор освобож­дается, начинается синтез иРНК на структурных генах и соответ­ственно синтез фермента.

Рассмотрим принципы функционирования оперона на приме­ре регуляции синтеза ферментов, участвующих в усвоении лакто­зы кишечной палочкой (рис. 40). В лактозном опероне три структурных гена (гень генг, генз). Они занимают участок, включающий около 6000 нуклеотидных пар. Первым идет ген, определяющий структуру молекулы р-галактозидазы, вторым — ген, кодирующий галактозидпермеазу, и третьим — ген, коди­рующий галактозидтрансацетилазу. Все три гена транскрибиру-

Рис. 40. Регуляция транскрипции (по Э. Понтеру)

Пример: область лактозного оперона у Е. coli:

А —в присутствии лактозы; С — без лактозы; Пр — промотор; О—оператор; / — регулятор-иыП ген; структурные гены — reHi,теН2, генз; Р— репрессор; Л — молекула лактозы; волнис­тая линия — иРНК

ются вместе. РНК-полимераза присоединяется к промотору и продвигается вдоль оперона, транскрибируя его.

Активность структурных генов регулируется белком-репрессо-ром, который кодируется геном-регулятором. Репрессор выраба­тывается в небольшом количестве непрерывно и, если нет в питательной среде лактозы, прикрепляется к оператору, препят­ствуя продвижению РНК-полимеразы от промотора к структур­ным генам. Гены оказываются репрессированными, и синтез трех кодируемых ими ферментов не осуществляется. При по­ступлении в клетку лактозы она быстро связывается с молекула­ми репрессора, освобождая ген-оператор. Это ведет к тому, что РНК полимеразы присоединяется к промотору и продвигается вдоль оперона, поочередно транскрибируя все три гена. В ре­зультате синтезируются ферменты, расщепляющие лактозу. Ин­дукция вызывается тем, что белок-репрессор не прикрепляется к оператору. После полной утилизации лактозы белок-репрессор освобождается и вновь связывается с геном-оператором, и про­цесс синтеза уже ненужных ферментов прекращается.

Опероны анаболических ферментов, аминокислот и азотистых оснований функционируют по принципу обратной связи. В этом случае синтез ферментов идет только до тех пор, пока конечного продукта в клетке недостаточно. Избыток продукта репрессирует синтез ферментов, участвующих в его образовании.

Механизмы регуляции у эукариот значительно сложнее и менее изучены. Это связано со сложной дифференцировкой кле­ток разных органов и тканей. У эукариот выявлены гены, прояв­ляющие активность во всех клетках организма. Они ответствен­ны за образование структур, общих для всех клеток. Имеются гены, действие которых проявляется только в специализирован­ных тканях. Кроме того, есть гены, ответственные за выполне­ние ограниченных функций — синтез гемоглобина, кератина волос и т. д. Это говорит о том, что и у эукариот должны быть механизмы регуляции генов. Возможно, эукариоты используют такой же механизм регуляции синтеза белков, как и прокариоты, но, кроме того, у них имеются и другие процессы регуляции, характерные для этих организмов.

У эукариот возможно одновременное групповое подавление ак­тивности генов: во всем ядре, в целой хромосоме или в большом ее участке. Предполагается, что такая репрессия генов осуществля­ется в значительной мере гистонами — основными белками, ко­торые входят в состав хромосом эукариот. Примером групповой регуляции активности генов является полное прекращение транскрипции всех генов при спермиогенезе у животных. Счита­ют, что такое выключение всех генов при образовании спермиев и постепенная их дерепрессия при эмбриогенезе связаны с изме­нениями белковых компонентов хромосом. Групповое выключе­ние активности генов в одной из Х-хромосом наблюдается в онтогенезе у самок млекопитающих, обладающих двумя Х-хро-мосомами. В этих хромосомах находятся гены, детерминирую­щие дифференцировку пола на ранних стадиях онтогенеза. Затем одна из Х-хромосом инактивируется, превращаясь в так называе­мое тельце Барра. Этим достигается сбалансированность эффек­та генов из Х-хромосом у самок и самцов.

Имеется много примеров, указывающих на большую роль гормонов в регуляции активности генов. Мы уже разбирали во­прос о том, что в гигантских хромосомах двукрылых можно обнаружить активно транскрибирующиеся участки, которые ста­новятся разрыхленными и наблюдаются в виде пуффов. Пуффы появляются на разных стадиях развития в разных участках хро­мосом. Если вводить гормон экдизон особям, у которых выделе­ние гормона еще не начиналось, то можно добиться появления пуффов, как при естественной секреции гормона. Вначале на­блюдается появление «ранних» пуффов, а через 3—10 ч имеется уже около 100 «поздних» пуффов.

Гормон щитовидной железы, очевидно, влияет на проявление активности генов, обусловливающих процессы метаморфоза. При добавлении этого гормона в среду совершается быстрое превращение головастиков в лягушек. Известно, что гормон под­желудочной железы инсулин нормализует содержание глюкозы в крови. Вебер установил, что инсулин активирует три гена, кото­рые кодируют ферменты, использующие глюкозу (гликолиз и синтез гликогена), и в то же время он является репрессором для четырех генов, которые кодируют ферменты, влияющие на гли-конеогенез (синтез глюкозы из неуглеводистых веществ).

В последние годы исследуется роль гистонов и негистоновых хромосомных белков в регуляции действия генов. Исследования показывают, что гистоны, по-видимому, тормозяще действуют на синтез РНК. Например, у бобовых белок глобулин in vivo обра­зуется только в семядолях. Однако если удалить из хроматина других частей растения гистоновые компоненты, то и в них in vitro будет синтезироваться тот же глобулин. Это говорит о том, что гистоны, по-видимому, блокируют гены. Негистоновые хро­мосомные белки представлены большим многообразием, обнару­жено разное их содержание в хроматине различных тканей на разных стадиях развития. Предполагается, что они также участ­вуют в регуляции синтеза белка — снимают блокирующее дейст­вие гистонов. Однако регуляторная функция гистонов и негисто­новых белков пока точно не выяснена. К механизмам регуляции синтеза белка относится синтез дополнительной ДНК, которая затем поступает в цитоплазму. В цитоплазме на ДНК синтезиру­ется иРНК, а на ней белки, необходимые для клетки. В яйце­клетках амфибий и цитоплазме рыб в период роста и созревания ооцитов было обнаружено большое количество активной ДНК. Таким образом, ДНК ядра может образовывать фракции, переходящие в цитоплазму, и синтез белка может регулироваться не только подавлением, но и усилением действия генов. Пробле­ма регуляции действия генов у высших организмов имеет боль­шое практическое значение в животноводстве и медицине. Структура ДНК определяет химическое строение и функции бел­ков, т. е. их качественный состав. Но в процессах развития и жизни организма очень важное значение имеет и количество синтезируемого белка, а это связано с регуляцией активности генов. Установление факторов, регулирующих синтез белка, рас­крыло бы широкие возможности управления онтогенезом, созда­ния животных с более высоким уровнем продуктивности и луч­шей устойчивостью к разного рода болезням.