 |
Регуляция экспрессии генов у высших эукариот
|
|
|
|
Лабораторная работа № 4
Тема: Особенности экспрессии генов у прокариот и эукариот. Генная регуляция лактозы и триптофана у прокариот.
Цель работы: Изучить особенности экспрессии генов у прокариот и эукариот
Задание: 1. Изучить и зарисовать схему оперона;
2.Определить функции отдельных структур оперона, дать определение выделенным терминам, ответить на вопросы, сделать вывод;
3. Изучить структуру транскриптона;
4. Рассмотреть механизмы работы генов у прокариот на примере активации генов, отвечающих за синтез лактозы и триптофана.
Общие принципы регуляции активности генов у прокариот разработали Франсуа Жакоб и Жак Моно (1961; Нобелевская премия 1965). Согласно концепции Жакоба–Моно, единицей регуляции активности генов у прокариот является оперон. В целом структура оперона включает: промотор, оператор, структурные гены, терминатор.
Промотор (П) – это регуляторный участок ДНК, который служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК.
Оператор (С) – это регуляторный участок ДНК, который способен присоединять белок-репрессор, который кодируется соответствующим геном. Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать мРНК.
Терминатор (Т) – это регуляторный участок ДНК, который служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза мРНК.
Транскрипция группы структурных генов, регулируется двумя элементами – геном-регулятором и оператором. Оператор часто локализуется между промотором и структурными генами; ген-регулятор может локализоваться рядом с опероном или на некотором расстоянии от него.
Рисунок 1. Структура оперона
|
|
|
Если продуктом гена-регулятора является белок-репрессор, его присоединение к оператору блокирует транскрипцию структурных генов, препятствуя присоединению РНК-полимеразы к специфичному участку – промотору, необходимому для инициации транскрипции. Напротив, если белком-регулятором служит активный апоиндуктор, его присоединение к оператору создает условия для инициации транскрипции. В регуляции работы оперонов участвуют также низкомолекулярные вещества – эффекторы, выступающие как индукторы либо корепрессоры структурных генов, входящих в состав оперонов (рис. 1).
Опероны по количеству цистронов делят на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов).
Объединение функционально близких генов в опероны, видимо, постепенно сложилось в эволюции бактерий по той причине, что у них перенос генетической информации обычно осуществляется небольшими порциями (например, при трансдукции или посредством плазмид). Значение имеет само по себе сцепление функционально родственных генов, что позволяет бактериям приобретать необходимую функцию в один этап.
Регуляция экспрессии генов у высших эукариот
Важнейшая особенность функционально-генетической организации эукариот – отсутствие у них оперонов, подобных оперонам бактерий. Однако промоторные и терминаторные участки у эукариот имеются; более того, они более разнообразны, чем у прокариот. Однако структурные гены, контролирующие последовательные этапы метаболического процесса, могут находиться у эукариот в разных участках одной хромосомы или даже в разных хромосомах. Физико-химический и электронно-микроскопический анализ вновь синтезированной РНК показывает, что она состоит из огромных молекул длиной в несколько десятков тысяч нуклеотидов. Поэтому правильнее говорить о функциональной генетической единице у эукариот как о транскриптоне, т. е. участке ДНК, с которого считывается единая непрерывная молекула РНК. Доказано, что в ответ на действие указанных индукторов активируется целая батарея структурных генов, среди которых находятся как гены, кодирующие определенные белки, так и гены рРНК и тРНК.
|
|
|
Наряду с обычными нуклеотидными последовательностями промоторной и терминаторной областей транскрипции у эукариот обнаружены такие специфические элементы регуляции, как усилители (энхансеры), и глушители (сайленсеры).
Энхансеры – это участки ДНК, которые действуют как усилители транскрипции, находясь на расстоянии нескольких сот и даже тысяч пар нуклеотидов от регулируемого гена; в других случаях энхансеры находятся в самих структурные генах в составе интронов. Вероятно, механизм действия энхансеров связан с изменением нуклеосомной структуры хроматина.
Сайленсеры – это участки ДНК, которые, располагаясь в нескольких сотнях пар нуклеотидов до или после регулируемого гена, выключает транскрипцию, изменяя структуру хроматина. Существуют мутации, которые не затрагивая сам глушитель, делают его неактивным и тем самым «разрешают» транскрипцию с промотора регулируемого гена.
Регуляция экспрессии (выражения) генов может осуществляться на нескольких уровнях: генном, транскрипционном, посттранскрипционном, трансляционном и посттрансляционном (функциональном).
- Первый из них связан с изменением количества или локализации генов, контролирующих данный признак.
- Второй определяет, какие и сколько мРНК должны синтезироваться в данный момент.
- Третий обеспечивает отбор мРНК, транслирующихся на рибосомах.
- Четвертый связан с аллостерической (пространственной) регуляцией активности ферментов.
- Наконец, контроль действия генов может осуществляться путем посттрансляционной модификации полипептидов, посттранскрипционной модификации мРНК, и другими путями.
|
|
|
