<<
>>

Регуляция генной активности

Функциональная неравнозначность клеток и связанная с ней репрессия и активация генов давно привлекали внимание генетиков, но до последнего времени реальный механизм контроля генной активности оставался неизвестным.

Первые попытки объяснить регуляторную активность генов были связаны с изучением гистонных белков. Еще супруги Стэдман в начале 40-х годов нашего века высказали мысль, что именно гистоны могут выполнять роль контролеров активности генов. В своих дальнейших работах они получили первые четкие результаты о различиях в химической природе гистонных белков. Обобщая полученные данные, они писали: «Физиологические функции ядер являются, вероятно, следствием присутствия генов, которые они содержат. Они (гены — В. С.) должны поэтому быть идентичными во всех ядрах данного организма. Если, однако, предположить, что ядра содержат некоторый механизм для подавления активности отдельных генов или групп генов и что этот механизм специфичен для каждого типа клеток, эти трудности исчезнут. Продемонстрированные нами данные, что некоторые основные белки, имеющиеся в клеточных ядрах, являются, несомненно, клеточно-специфичными, приводят к гипотезе, что одна из физиологических функций заключается в том, чтобы действовать в качестве репрессоров генов» Эта догадка получила некоторое подтверждение в более поздних работах Дж. Боннера, Ру-Чи-Хуанга, Тсьо и других.

Сейчас несколько коллективов исследователей интенсивно работает в этой области. Объем данных, свидетельствующих в пользу этой гипотезы, довольно велик, и можно полагать, что она получит экспериментальное подтверждение.

В то же время все большее количество фактов говорит за то, что регуляция генной активности гораздо более сложный процесс, нежели простое взаимодействие участков генов с молекулами гистонных белков. Об этом в первую очередь свидетельствуют- эксперименты по регуляции генов у микроорганизмов (см.

также главу 23).

В 1960—1962 гг. в лаборатории Р. Б. Хесина-Лурье удалось выяснить, что гены фагов начинают считываться не одновременно. Было показано, в частности, что гены фага Т2 можно разделить на ранние, работа которых падает на первые минуты заражения бактериальной клетки, и поздние, начинающие синтезировать иРНК после завершения работы ранних генов.

Четкая координированность действия генов и их своеобразная иерархия была доказана Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961). Они показали, что гены бактерий можно условно разделить на два различных типа — структурные гены, дающие информацию о синтезе определенных белков (ферментов) , и регуляторные гены, следящие за включением и выключением отдельных генов или их блоков в зависимости от метаболических по- требностёй клетки. По представлениям Жакоба и Моно, регуляторные гены должны детерминировать осооые молекулы репрессоров, которые, соединяясь с другими генами регуляторной системы — генами-оператора- ми, управляют работой последних. Тем самым Жакоб и Моно разделили гены регуляторной системы в свою очередь на два типа — гены-регуляторы и гены-операторы В экспериментах с кишечной палочкой они смогли дать принципиальное доказательство существования этих типов. По их данным, ген-регулятор находится на некотором отдалении от структурных генов, управляемых им, а оператор непосредственно к ним примыкает. Авторы ввели в генетику новое понятие, определив блок структурных генов и управляющий ими оператор как единую функциональную единицу — оперон.

В последние годы были получены данные о наличии еще одной управляющей ячейки генной активности — промоторе. Оказалось, что по соседству с операторным участком, к которому присоединяется продукт — белковое вещество репрессор, синтезированный на гене-регуляторе, имеется другой участок, который также следует отнести к членам регуляторной системы генной активности. К этому участку присоединяется молекула фермента РНК-полимеразы. В этом промоторном участке должно произойти взаимное узнавание уникальной последовательности нуклеотидов в ДНК и специфической конфигурации белка РНК-полимеразы.

От эффективности узнавания будет зависеть осуществление процесса считывания генетической информации с данной последовательности генов оперона, примыкающего к промотору.

Таким образом, схема взаимодействия гена-регулятора, оператора, промотора, ферментов и рибосом, участвующих в синтезе специфических белков, может быть представлена следующим образом (см. рисунок): на гене-регуляторе синтезируется вещество белковой природы — репрессор. Последний может воздействовать на операторный участок — выключать (или в некоторых случаях включать) его. Репрессор, кроме того, может взаимодействовать с метаболитами, синтезируемыми под контролем специфических генов. Если метаболиты накопились в достаточном количестве, они, взаимодействуя с репрессором, изменяют его конфигурацию, и он отсоединяется от операторного участка. В том случае, когда оператор находится в состоянии, при котором он и находящиеся под его контролем структурные гены могут функционировать, к промоторному участку присоединяется-молекула РНК-полимеразы, начинающая считывать информацию с данного оперона. Информация считывается в виде последовательности оснований в молекуле иРНК. К концу этой иРНК присоединяется рибосома и, продвигаясь вперед, считывает информацию с иРНК, в результате чего синтезируется полипептидная цепь. Вслед за первой рибосомой присоединяется вторая, за ней третья и т. д. Таким образом осуществляется взаимно скоординированное функционирование частей бе- лок-синтезирующего аппарата.

Такова картина синтеза белка в бактериальных клетках. В100 клетках высших организмов она оказалась несколько иной: молекулы иРНК после окончания их синтеза отделяются от матрицы ДНК и скапливаются в цитоплазме. Предполагают, что они переходят в цитоплазму соединенными со специальными белками (возможно, близкими к гистонным белкам).

ЛЛЛЛЛ/WY

mm

I

Схема генетической регуляции белкового синтеза, по Жакобу и Моио (1961)

1 — регуляторный ген; 2 — оператор; з — структурный ген А; 4 — структурный ген В; 5 - ДНК; 6 — репрессор; 1 — РНК; 8 — регуляторный метаболит; 9 — аминокислоты; 10 — фе] мент А; 11 — фермент В ГР I // I 0 I ГГ, \ сгх 1 4-Л 1 Щ- ' ГР 1 л СГ, 1 СГг 1 СГ., Ш Pen/jet

?Схема, поясняющая взаимодействие регуляторных и структурных генов при синтезе белка (по 'Жакобу и Моно, 1961)

іГР — ген-регулятор; Я — промоторный участок; О — операторный участок; СГи СГг и СГ3 — первый, второй и третий структурные гены, входящие в данный оперон ТП—г

J I L

і. г.

тт гт?

I I II I

гт

-I, 1-І—L

1 "Г1 г

-I J 1 I LJ 1111

— \/ яш

T7V~7— JffSff/tyff-

\ леаяа

-| т Г т

I .J-. I I.

.1 I I -1—1 I-

-L-J—I.

J I I I L

/7ffj7UAfe/7aSa

ГЛ

Т 7 ГТ J -1..L. .1

J—L

Jueasa ТТ ГІ

XXX

'II I Г ! / I

ТТ

I I I I I I I I I I I II

^7//7

tSfls

Схема темновой репарации (по Сойферу, 1969)

а — исходная ДНК; б — повреждение ДНК, нанесенное каким-либо мутагеном, дающим репарабельные повреждения; в — надрез нити ДНК вблизи повреждения ферментом эндонуклеазой; г — вы- щепление из ДНК поврежденного фермента с помощью другой эндонуклеазы или же экзонуклеазы; 9 — расширение бреши экзонуклеазой; е — застройка бреши полимеразой; ж — соединение застроенных концов репарирующей лигазой

Новой главой в развитии молекулярной генетики стало учение о системе репарирующих ферментов, исправляющих повреждения генетические структур, вызванные облучением или обработкой химическими агентами. Первоначально репарирующие системы были найдены только у бактерий и фагов. В настоящее время получены данные, свидетельствующие о том,, что репарация активно осуществляется у грибов, водорослей, а также в

клетках высших животных и растений. S'-г-г—і—г-i—і—і—і—і—і—і—і—і—З'ОН Ранее всего изученным типом

репарации является фотореактивация, впервые описанная А. Кельнером и В. Ф. Ковалевым (1949). Под фотореактивацией понимают восстановление нормальной жизнедеятельности клеток

(возобновляется синтез отдельных ферментов, способность к делению и размножению, снижается частота мутаций и т. д.), облученных ультрафиолетовым светом, после их пребывания на видимом свете. Обязательным условием реакции фотореактивации является наличие специального фотореактивирующего фермента. В настоящее время он выделен и очищен (К. Руперт, А. Мухаммед).

Было установлено также, что репарация может происходить не только при освещении облученных ультрафиолетом клеток видимым светом, но и в темноте (А. Герен, Н. Зиндер, 1955; Р. Бойс, П. Говард-Фландерс, 1964; Р. Сетлоу, В. Кэррир, 1964; и др.). Этот вид реактивации, происходящий без участия квантов видимого света, был назван темновой репарацией. Оказалось, что молекулярный механизм этого вида репарации совершенно отличен от фотореактивации. Если при фотореактивации репарирующий фермент восстанавливает исходную структуру ДНК путем разъединения связей, возникших после ультрафиолетового облучения, то процесс темновой репарации протекает гораздо сложнее (см. рисунок). Прежде всего при помощи эндонуклеаз, а затем экзонуклеаз происходит вырезание поврежденного участка ДНК (из одной ее нити), затем полимераза застраивает вырезанный участок в соответствии с правилами комплементарности. Тем самым восстанавливается первоначальная структура ДНК. Процесс заканчивается соединением вновь синтезированного

участка с концом старой нити ДНК. Последняя реакция связана с участием вновь открытого фермента — полинуклеотидлигазы.

Оказалось, что реакция темновой репарации распространена в органическом мире гораздо шире. Так, в последнее время темповая репарация была, найдена и в растительном мире — у синезеленых водорослей (С. В. Шестаков и др., 1974), у целостных высших растений (В. Н. Сой- фер и К. К. Циеминис, 1973) и в протопластах растительных клеток (Г. Хоуленд, 1975). Это объясняется многими причинами. Во-первых, при темновой репарации могут восстанавливаться повреждения, нанесенные агентами как лучевой, так и химической природы. Есть основания полагать, что репарирующие ферменты системы темновой репарации узнают любые изменения в структуре ДНК, нарушающие правильность ее двойной спирали (нарушения вторичной конфигурации ДНК), вырезают их и восстанавливают исходную структуру. Во-вторых, некоторые из ферментов, принимающие участие в акте темновой репарации, например полинуклеотидлигаза и полимераза, проявляют свою активность и в других важнейших жизненных процессах — репликации ДНК (Р. Оказаки, 1968—1970), рекомбинации (П. Говард-Фландерс, 1966; Томизава, 1968), мутагенезе (Ш. Ауэрбах, А. Назим, 1967; Э. Виткин, 1968; В. Н. Сойфер, 1969, 1970). О широком распространении систем темновой репарации свидетельствует и описание большого числа генов, обусловливающих протекание этой реакции.

В настоящее время описано большое число других систем репарации, приводящих к тому же результату, но отличающихся друг от друга по молекулярным механизмам. В числе этих реакций следует прежде всего упомянуть пострепликативную репарацию, осуществляющуюся в ходе репликации ДНК и после ее окончания. Ныне широко исследуется ультрафиолетовая реактивация, осуществляющаяся при слабом облучении бактериальных клеток УФ-лучами, и затем инфицированных фагами, облученными высокими дозами УФ. Описаны тепловая, каталазная реактивации, реактивация в жидкой среде и другие виды репараций.

<< | >>
Источник: И. Е. АМЛИНСКИЙ, Л. Я. БЛЯХЕР. ИСТОРИЯ БИОЛОГИИ С НАЧАЛА ХХ ВЕКА ДО НАШИХ ДНЕЙ. 1975

Еще по теме Регуляция генной активности:

  1. Регуляция активности генов и белков
  2. 3.6.6.3. Регуляция экспрессии генов у прокариот
  3. Процессы регуляции в клетке
  4. 8.3.2. Эмбриональная регуляция
  5. Эпигенетическая регуляция онтогенеза
  6. Генетическая регуляция онтогенеза
  7. Метаболическая регуляция
  8. 6-8* Многослойная регуляция
  9. Регуляция каст со стороны семьи
  10. 3.6.6. Регуляция экспрессии генов на геномном уровне организации наследственного материала
  11. Рефлекторная регуляция положения тела
  12. 4. 4. Биологические механизмы регуляции численности
  13. Антропические факторы и их роль в регуляции численности популяций
  14. Летная активность.