как носителей генетической информации 4 глава

Известно несколько типов механизмов, с помощью которых один и тот же набор генов в неодинаковых условиях жизнедеятельности организма и на разных стадиях развития детерминирует синтез белков. Регуляция экспрессии (выражения) генов может осуществляться на нескольких уровнях: генном, транскрипционном, трансляционном и функциональном. Первый из них связан с изменением количества или локализации генов, контролирующих данный признак. Второй определяет, какие и сколько иРНК должны синтезироваться в данный момент. Третий обеспечивает отбор иРНК, транслирующихся на рибосомах. Четвертый связан с аллостерической регуляцией активности ферментов. Наконец, контроль действия генов может осуществляться путем посттрансляционной модификации полипептидов, посттранскрипционной модификации иРНК и другими путями.

Рассмотрим подробнее транскрипционный уровень регуляции, в отношении которого имеется большое число данных, полученных главным образом на бактериях.

 

Индукция и репрессия генов

 

Действующие в клетках про - и эукариот регуляторные механизмы обеспечивают:

1. Возможность включения или выключения экспрессии гена в ответ на изменение внешних условий;

2. Программированное каскадное включение экспрессии многих генов.

Первый тип регуляции наиболее полно изучен у бактерий. У E.coli ферменты, обеспечивающие утилизацию сахаров в качестве единственных источников углерода и азота, синтезируются лишь в ответ на появление в среде индуктора–субстрата, которым служит соответствующий сахар. До появления субстрата в среде ген, ответственный за синтез фермента, осуществляющего его гидролиз, неактивен, или репрессирован. Под действием индуктора происходит дерепрессия гена: он включается (индуцируется).

Выключение генов (репрессия) также может вызываться факторами внешней среды. Так, большинство генов, кодирующих ферменты синтеза аминокислот у E.coli или S. typhimurium, функционируют, когда в среде культивирования отсутствуют соответствующие аминокислоты. При выращивании в питательной среде, содержащей достаточное для роста количество этих же аминокислот, экспрессия кодирующих генов подавляется. Эти примеры показывают существование двух групп генов (и, соответственно, ферментов). Одни из них в норме репрессированы, и их дерепрессия происходит под влиянием индукторов, другие находятся в дерепрессированном состоянии и репрессируются собственными продуктами. Несмотря на это различие, принципиальные механизмы регуляции обеих групп генов сходны – они действуют на уровне транскрипции и будут рассмотрены далее на примере генов, контролирующих сбраживание лактозы и биосинтез некоторых аминокислот у бактерий.

Регуляция второго типа, обеспечивающая запуск «цепной реакции» включения многих генов, обнаружена у фагов, инфицировавших клетки бактерий. При сравнении наборов фаговых иРНК были открыты «ранние» и «поздние» фаговые гены, причем каждая группа генов функционирует лишь на определенной стадии репродукции фага.

Следует отметить, что оба типа регуляции осуществляются в отношении лишь тех генов, постоянное функционирование которых нежелательно для клетки, поскольку при этом расходуется энергия, необходимая для ее роста и размножения в условиях, когда продукты, кодируемые этими генами, не требуются (например, синтез ферментов, расщепляющих сахара, отсутствующие в среде культивирования бактерий, либо образование ферментов биосинтеза аминокислот, находящихся в среде культивирования в достаточном количестве). Многие же гены детерминируют синтез таких продуктов, которые нужны клетке постоянно, например ДНК– иРНК-полимераз, рибосомальных белков, молекул тРНК и рРНК и др.. Подобные гены обычно экспрессируются постоянно, поэтому их называют конститутивными.

 

Модель оперона

 

Исследование механизмов регуляции генов, кодирующих утилизацию молочного сахара лактозы у E.coli, позволило Ф. Жакобу и Ж. Моно (1961) предложить модель координированного контроля работы структурных генов, известную как модель оперона. Согласно этой модели в ее нынешнем виде, транскрипция группы структурных генов, кодирующих полипептиды, тесно связанные между собой функционально, регулируется двумя контролирующими элементами – геном-регулятором и оператором. Последний представляет собой последовательность нуклеотидов, примыкающую к регулируемым структурным генам. Если продуктом гена-регулятора является белок-компрессор, его присоединение к оператору блокирует транскрипцию структурных генов, создавая стерические препятствия для присоединения 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. Оператор часто локализуется между промотором и структурными генами. Последовательность ДНК, состоящая из тесно сцепленных структурных генов, оператора и промотора, и образующая единицу генетической регуляции, называется опероном. Ген-регулятор может локализоваться рядом с опероном или на расстоянии от него. В регуляции работы оперонов участвуют также низкомолекулярные вещества – эффекторы, выступающие как индукторы либо корепрессоры структурных генов, входящих в состав оперонов.

Различают индуцируемые и репрессируемые опероны в зависимости от типа влияния на их работу молекул– эффекторов. У индуцируемых оперонов эффектор присоединяется к белку-репрессору и блокирует его связывание с оператором, препятствуя транскрипции структурных генов. Такой тип регуляции работы оперона называют негативным. Наряду с этим, индуцируемые опероны могут находиться под позитивным контролем регуляции, при котором эффектор связывается с регуляторным белком и активизирует его активный апоиндуктор присоединяется к оператору, что обеспечивает возможность транскрипции оперона. Оба типа контроля регуляции действуют и в отношении репрессируемых оперонов. При негативном контроле эффектор, являющийся корепрессором, присоединяется к неактивному репрессору и активирует его. В результате репрессор приобретает способность присоединяться к оператору и тем самым блокировать транскрипцию оперона. При позитивном контроле функционирования репрессируемого оперона корепрессор связывается с активным апоиндуктором. Такой комплекс не может присоединяться к оператору, и структурные гены не транскрибируются.

Таким образом, при негативном контроле эффектор связывается с репрессором, что приводит к его инактивации либо активации и соответственно индуцирует либо репрессирует транскрипцию оперона. При позитивном контроле эффектор присоединяются не к репрессору, а к апоиндуктору, что разрешает, или наоборот, блокирует транскрипцию в зависимости от того, какую форму (активную или неактивную) приобретает апоиндуктор в результате связывания с эффектором. Поскольку при транскрипции оперона, состоящего из нескольких структурных генов, образуется один общий транскрипт в виде молекулы полицистронной иРНК, все эти гены экспрессируются координированно.

 

Лактозный оперон E.coli

 

Оперон, обеспечивающий у E.coli способность к сбраживанию молочного сахара – лактозы, состоит из промотора, оператора и трех структурных генов. Ген lac Z кодирует фермент b- генгалактозидазу, катализирующую гидролиз лактозы до глюкозы и галактозы; ген lac Y-галактозидпермеазу, обеспечивающую транспорт различных сахаров, включая лактозу, мелибиозу и рафинозу, в клетку; ген lac А –тиогалактозидтрансацетилазу, роль которой обычно в утилизации лактозы не ясна. Все три белка обычно присутствуют в клетках Е.coli в следовых количествах. Однако при выращивании бактерий на среде, в которой единственным источником углерода и энергии служит лактоза, количество указанных ферментов увеличивается в 1000 раз.

Ген–регулятор лактозного (lac) оперона, обозначаемый lac 1, кодирует белок–репрессор. В активной форме это тетрамер, образованный четырьмя копиями продукта гена lac 1 – полипептидами, состоящими из 360 аминокислот. Клетки с мутациями в гене lac 1 конститутивны по синтезу ферментов, кодируемых генами lac Z, Y и A.

Конститутивный синтез продуктов этих генов возможен не только в случае lac 1 -мутаций в гене репрессоре, но и в случае мутаций в операторе, обозначаемых О . Такие мутации всегда цис–доминантны, поскольку, в отличие от гена–репрессора, оператор может влиять на возможность транскрипции структурных генов только тогда, когда он находится непосредственно рядом с промотором. Если в клетке находится индуктор, он конкурирует с оператором за молекулы репрессора, причем репрессор в первую очередь связывается с индуктором.

В качестве индукторов могут служить различные соединения. Лактоза представляет собой индуктор и одновременно субстрат. В нормальных клетках даже в отсутствие индуктора остаточная активность пермеазы и b –галактозидазы обеспечивают возможность проникновения в клетку минимального количества лактозы, которая в результате реакции, катализируемой b –галактозидазой, переходит в аллолактозу. Последняя связывается с репрессором, обусловливая его отсоединение от оператора, что, в свою очередь, открывает путь РНК–полимеразе для связывания с промотором и транскрипции генов lac Z, Y и A. К соединениям, являющимся только индукторами, но не субстратами, относятся изопропил b–D–тиогалактопиранозид (ИПТГ) и тиометил–b–D–галактопиранозид (ТМГ), часто используемые для исследования регуляции lac–оперона.

Мутации в промоторе в отличие от мутаций в гене–репрессоре и в операторе не влияют на индуцируемость оперона, однако они регулируют уровень его экспрессии, изменяя эффективность присоединения РНК–полимеразы, и тем самым частоту инициации транскрипции lac–оперона.

Наряду с негативной системой регуляции, lac–оперон контролируется и с помощью позитивно действующих элементов. Их обнаружение связано с исследованием феномена Ж. Моно диаусией, суть которого состоит в том, что утилизация лактозы начнется лишь после того, как будет использована вся имеющаяся в среде глюкоза. Этот феномен, как установили Б. Магазаник с соавторами, - одно из проявлений катаболитной репрессии или глюкозного эффекта, известного еще с 40-х годов и выражающегося в неспособности E.coli, катаболизироватьразличные углеводы (лактозу, арабинозу, галактозу и др.) в присутствии глюкозы, как более эффективного источника энергии.

Расшифровать механизм глюкозного эффекта сумели Р. Перлман и А. Пастан, обнаружившие, что транскрипция lac–оперона контролируется двумя элементами: небольшой молекулой–эффектором, циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ) и белком–активатором САР (от первых букв англ. Catabolite fctivator protein– белок-активатор катаболизма), называемым также белком–рецептором цАМФ. У эукариот цАМФ является медиатором действия гормонов. Оказалось, что добавление цАМФ к растущим в среде с глюкозой клеткам E.coli хотя и замедляет скорость их роста, но снимает катаболическую репрессию, обусловливая тем самым возможность экспрессии лактозного оперона в условиях одновременного присутствия в среде лактозы и глюкозы. Позднее была показана обратная зависимость между содержанием в клетке цАМФ и глюкозы: глюкоза подавляет активность фермента, синтезирующего цАМФ из АТФ. Этот фермент, названный аденилатциклазой, кодируется геном суа.

В структуре промотора lac–оперона выявлено два сайта связывания. Один из них взаимодействует с РНК – полимеразой, другой – с комплексом САР–цАМФ. Присоединение комплекса САР–цАМФ к своему сайту на промоторе – условие индукции оперона. Следовательно, этот комплекс позитивно контролирует транскрипцию lac–оперона. Белок САР состоит из двух идентичных субъединиц с общей М около 45000, кодируемых геном САР, или CRP. Мутации в гене сар нарушают участок связывания белка с цАМФ, либо расширяют спектр кофакторов, объединение с которыми обеспечивает индукцию ферментов lac–оперона. У некоторых мутантов в гене сар таким кофактором наряду с цАМФ может служить и цГМФ.

В норме, то есть в присутствии глюкозы и в отсутствии цАМФ, белок САР не может объединяться с промотором lac–оперона. В свою очередь, РНК–полимераза не способна эффективно связываться с этим промотором, если к нему не присоединен комплекс САР–цАМФ. Некоторые мутации в промоторе обусловливают независимость экспрессии lac – оперона от глюкозного эффекта, снижая сродство промотора к комплексу САР–цАМФ.

Таким образом, транскрипция lac–оперона на самом деле находится под двойным – негативным и позитивным– контролем. Комплекс САР–цАМФ позволяет РНК–полимеразе присоединиться к матричной ДНК до начала транскрипции. Репрессор – продукт гена lac 1–препятствует инициации синтеза иРНК.

В настоящее время расшифрована полная нуклеотидная последовательность регуляторной области lac–оперона, включающая промотор и оператор. Более того, ДЖ. Шапиро и ДЖ. Беквит с соавторами (1969) сумели выделить чистую ДНК этого оперона, включающую фрагмент гена lac1, полностью промоторную и операторную последовательности, ген lac Z, а также фрагмент гена lac Y. Выяснение структурной организации оператора lac–оперона показало, что существенную роль во взаимодействиях мультимерных белков типа lac–репрессора или РНК–полимеразы с ДНК играют симметричные структуры – палиндромы. Оператор lac–оперона состоит из 26 п.н., из которых 14 представляют собой палиндром: в различных цепях они читаются одинаково, но в противоположных направлениях. Палиндром обнаружен и в участке промотора, связывающемся с комплексом САР–цАМФ.

 

Гистидиновый оперон S. tuphimurium

 

Лактозный оперон E.coli – примернегативнойрегуляциитранскрипциивслучаеиндуцируемыхгенов. Рассмотримтеперь, какдействуетсистеманегативного контроля в случае репрессированного оперона на примере группы генов, детерминирующих биосинтез аминокислоты гистидина у S. tuphimurium. Гистидиновый (his) оперон состоит из девяти структурных генов (his E, I, F, A, H, B, C, D, G), порядок расположения которых не соответствует очередности осуществления кодируемых ими этапов метаболизма гистидина, и прилегающей к ним справа операторной последовательности (О). Особенностью регуляции his–оперона является участие корепрессора, в отсутствии которого указанные структурные гены транскрибируются. Этим корепрессором служит особым образом модифицированная гистидиновая тРНК. Активный корепрессор образуется под контролем пяти генов, не сцепленных друг с другом и с his – опероном. Мутации в любом из этих генов – регуляторов (his R, S, T, U, W) приводят к конструктивному синтезу ферментов биосинтеза гистидинов. Таким образом, в случае his–оперона отсутствует продукт – репрессор, непосредственно выключающий транскрипцию структурных генов путем присоединения к оператору. Вместо одного гена–регулятора имеется целых пять генов, мутации в которых снижают концентрацию и активность корепрессора, способного присоединяться к оператору, блокируя тем самым транскрипцию структурных генов his–оперона. Истинного репрессора his–оперона не найдено. Вместе с тем регуляция активности his–оперона, как и других репрессированных оперонов, например оперона биосинтеза триптофана, связана с активностью специального контролирующего элемента– аттенюатора (от англ. аttenuate – ослаблять), представляющего собой участок ДНК, локализованный в случае his–оперона между оператором и первым структурным геном his G. Аттенюатор обеспечивает терминацию иРНК в начале оперона. В присутствии активированной гистидиновой тРНК (то есть когда в клетке есть корепрессор) синтез иРНК терминируется в локусе аттенюатора и, таким образом, транскрипции структурных генов не происходит.

Наряду с аттенюатором, выполняющим функцию негативно действующего регулятора транскрипции, существует и позитивный регулятор his–оперона. Им служит гуанозинтетрафосфат, присутствие которого облегчает присоединение РНК- полимеразы к промотору.

 

Триптофановый оперон E.coli

Биосинтез аминокислоты триптофана – многостадийный процесс, в результате которого хоризмовая кислота превращается вначале в антраниловую кислоту, затем в фосфорибозилантранилат, далее в индолглицерофосфат и на следующем этапе – в триптофан. Эта цепь ферментативных реакций кодируется пятью структурными генами, образующими триптофановый (trp) оперон. Наиболее проксимально к регуляторной промотор – операторной зоне расположен ген trpE, а наиболее дистально– ген trpA. Ген trpR, кодирующий белок–репрессор, расположен на значительном удалении от trp–оперона: их разделяют 73 генетические карты E.coli. Оператор trp–оперона находится внутри промотора, содержит палиндром, образованный двумя инвертированными повторами длиной 10 п.н. Анализ полярных мутаций в левой части оперона выявил, что внутри него перед геном trpC имеется еще один промотор, обеспечивающий конститутивную экспрессию генов trpC, B и A.

Trp–оперон обладает важными особенностями, характерными и для других бактериальных оперонов, контролирующих биосинтез аминокислот. Регуляция биосинтеза триптофана осуществляется на трех уровнях. Первый из них связан с ингибированием конечным продуктом, не затрагивающим непосредственно активность генов. Суть этого феномена состоит в том, что один из продуктов биосинтетической цепи, обычно конечный, подавляет активность продуктов – предшественников. Например, при высоких концентрациях триптофана в среде фермент антранилатсинтетаза обладает значительно меньшим сродством к своим субстратам – глутаминовой и хоризмовой кислотам. Ферменты, чувствительные к такому ингибированию, часто состоят из нескольких субъединиц, одна из которых несет участок, связывающийся с субстратом, а другая – с конечным продуктом. При взаимодействии с последним фермент изменяет свою конформацию, что снижает его сродство к субстрату. Белки, способные к подобным превращениям, называются аллостерическими. Ингибирование конечным продуктом не следует путать с репрессией, то есть с ингибированием синтеза фермента в результате выключения транскрипции кодирующего его гена.

Второй тип регуляции биосинтеза триптофана осуществляется на уровне взаимодействия репрессора с оператором. В отличие от оперонов, определяющих утилизацию сахаров, цАМФ и белок САР не участвуют в регуляции оперонов, детерминирующих биосинтез аминокислот. Второе отличие состоит в том, что молекула–эффектор не индуцирует генную активность в результате отсоединения репрессора от оператора, а, напротив, подавляет функционирование структурных генов вследствие присоединения к оператору апорепрессора. Последний представляет собой комплекс репрессора с конечным продуктом всего биохимического пути, то есть в данном случае с триптофаном. Таким образом, триптофан обеспечивает оба уровня регуляции собственного биосинтеза. С одной стороны, он действует как аллостерический ингибитор фермента антранилатсинтетазы, а с другой – входит в состав апорепрессора, блокирующего транскрипцию оперона. При избытке триптофана в среде апорепрессор подавляет образование иРНК, что снижает уровень продукции ферментов биосинтеза триптофана примерно в 70 раз.

Казалось бы, такой двойной системы регуляции достаточно, чтобы клетка не продуцировала аминокислоту, имеющуюся в окружающей среде в достаточном количестве. Однако, секвенировав операторный и промоторный участки trp–оперона, Яновский с соавторами обнаружили еще один механизм регуляции его работы. Оказалось, что каждая иРНК, образующая при транскрипции trp–оперона, имеет район, списываемый с последовательности ДНК, лежащей между оператором и триплетом, кодирующим стартовый кодон АУГ, с которого инициируется трансляция полицистронной иРНК. Эта последовательность, состоящая из 162 п.н., называется лидирующей. При сравнении влияния различных делеций в trp–опероне на его транскрипцию установлено, что последовательность длиной 30–60 нуклеотидов, примыкающая к гену trpE, является контролирующим элементом - аттенюатором. Подобный элемент, как уже говорилось, участвует в регуляции и his–оперона. Аттенюатор терминирует транскрипцию иРНК, начавшуюся от промотора. В результате образуется короткая иРНК, комплементарная первым 130 нуклеотидам лидирующей последовательности. Прекращение транскрипции в сайте–аттенюаторе не обязательно и зависит от количества триптофана в клетке. При росте клеток в среде с избытком триптофана из каждых десяти молекул РНК–полимеразы лишь одна преодолевает аттенюаторный барьер и начинает транскрипцию структурных генов. В случае недостатка экзогенного триптофана число молекул РНК–полимеразы, прошедшие аттенюатор, существенно увеличивается. 42 из 162 кодонов лидирующей последовательности детерминируют трансляцию пептида из 14 аминокислот. Лидерный пептид регулирует взаимодействие молекул триптофановых тРНК с иРНК на рибосомах. Аттенюаторы обнаружены в различных оперонах и у различных бактерий. Особенность их структуры – наличие палиндрома, ведущего к образованию терминирующей шпильки в иРНК. Сочетание механизмов супрессии и аттенюации обеспечивает более эффективную и адекватную условиям внешней среды регуляцию генной активности.

 

Переключение генетической активности во время фаговой инфекции

 

Остановимся еще на одном типе регуляции действия генов, отличающейся от рассмотренной выше регуляции работы оперонов путем их обратимого включения и выключения.

Бактериофаги имеют несколько возможностей для переключения метаболизма бактерии–хозяина на репродукцию фагов. Это обусловлено появлением в зараженных фаговыми частицами клетках новых РНК–полимераз либо отдельных их субъединиц, белков–репрессоров и белков–активаторов.

Исследованиями Р. Б. Хесина в нашей стране, С. Шпигельмана в США и других авторов было установлено, что, несмотря на различия специфических организмов, с помощью которых отдельные фаги перестраивают клеточный метаболизм, все они несут две группы генов. Одни, называемые «ранними», выражаются сразу же после инфекции. Продукт одного из нескольких таких генов обеспечивает включение одних и выключение других «ранних» генов, которые, в свою очередь, регулируют следующую группу генов и т. д. Подобная регуляция последовательного выражения генов происходит на уровне транскрипции. Например, в случае фагов Т2, Т4, Т7 E.coli и фага SPOI B.subtilis такая последовательность действия генов контролируется путем модифицирования промоторной специфичности РНК–полимеразы. Это может достигаться синтезом новой собственно фаговой РНК–полимеразы, как в случае фага Т7, либо путем изменения специфичности бактериальной РНК–полимеразы, как это происходило в клетках, зараженных фагами Т2, Т4 или SPO 1.

В клетках, инфицированных фагом Т7, «ранние» гены транскрибируются РНК – полимеразой хозяина. Один из таких генов кодирует фаговую РНК–полимеразу, которая будет транскрибировать «поздние» гены, участвующие в синтезе ДНК и белков фагового капсида.

В клетках, зараженных фагом SPO 1, наблюдается более сложная картина. ДНК SPO 1 содержит три группы генов – «ранние», «средние» и «поздние», различающиеся соответственно по времени своей экспрессии в цикле репродукции фага. Так же, как в случае Т7, «ранние» гены SPO 1 транскрибируются бактериальной РНК–полимеразой. Продукт одного из «ранних» генов присоединяется к этой РНК–полимеразе и изменяет ее специфичность так, что она приобретает способность распознавать промоторы «средних» генов и транскрибировать их. Два продукта «средних» генов, в свою очередь, связываются с бактериальной РНК–полимеразой, тем самым, придавая новую специфичность, необходимую для транскрипции «поздних» фаговых генов.

Еще более сложная система обеспечивает каскадную регуляцию генной активности в случае фага Т4. Однако во всех рассмотренных примерах эта регуляция осуществляется на уровне транскрипции и включает специфичные взаимодействия между промоторами и РНК–полимеразой, обусловленные Q–факторами.

 

Особенности генетической регуляции у высших эукариот

 

Важнейшая особенность функционально–генетической организации эукариот – отсутствие у них оперонов, подобным оперонам бактерий. У высших эукариот гены, кодирующие ферменты, катализирующие последовательные этапы биосинтеза какого–либо метаболита, могут находиться в разных участках одной хромосомы или даже в разных хромосомах. Тем не менее, и физико–химический, и прямой визуальный анализы вновь синтезированной РНК с помощью электронного микроскопа показывают, что очень часто она состоит из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. Поэтому правильнее говорить о функциональной генетической единице у эукариот как о транскриптоне (Г. П. Георгиев), то есть участке ДНК, с которого считывается единая непрерывная молекула РНК.

Тем не менее, координация работы генов, детерминирующих какие–либо функции клетки, убедительно показана на ряде примеров. Так, введение в организм животного гидрокортизона или фенобарбитала, являющихся индукторами– дерепрессорами генома клеток печени, активирует группу генов, среди которых находятся как гены, кодирующие определенные белки, так и гены рРНК и тРНК. Иными словами, в ответ на действие указанных индукторов активизируется целая батарея генов. Предполагается, что существование гомологичных повторов способствует тому, что сигналы индукции служат как бы «ключами», отпирающими один и тот же «замок» в различных генах одной батареи. Это может означать, что один и тот же белок–репрессор связан с гомологичными повторами в каждом члене одной генной батареи.

Фактов, указывающих на существование системы генетической регуляции в клетках высших растений и животных, немало. Следует, однако, заметить, что эти факты, в частности, обнаружение последовательностей типа «ящика Хогнесса», позволяют судить только о некоторых деталях регуляции, касающихся отдельных генов. Общая картина механизма генетической регуляции в эукариотических клетках пока неясна, однако сам факт тотальной регуляции действия генов сомнений не вызывает. Наиболее объективно он может быть оценен по числу типов генных продуктов (РНК–вых копий) в цитоплазме. Этот вопрос был исследован на клетках человека линии HeLa, более 30 лет культивируемых in vitro. Геном клеток HeLa считается сильно депрессированным, то есть в них функционирует значительно большее (около 35 тысяч) число генов, чем в обычных соматических клетках, хотя это не означает, что клетки HeLa производят столь же большое количество конечных генных продуктов– полипептидов. Оказалось, что по функциональной активности гены клеток HeLa могут различаться почти на 4 порядка. Так, существует около 12–13 тысяч РНК–вых копий, и несколько десятков генов, которым в цитоплазме соответствуют единичные молекулы иРНК.

Со времени открытия повторяющихся нуклеотидных последовательностей в эухроматической части генома многие авторы пытались обосновать их возможную роль в регуляции биохимических процессов у эукариот. Так, Р. Бриттен и Э. Дэвидсон (1979) обратили внимание на то, что первичные транскрипты имеют в своем составе повторяющиеся последовательности и, следовательно, их можно рассматривать как копии интерсперсной части генома. Внимание этих исследователей привлекли также два факта, полученные при изучении биохимических процессов в ядрах в ходе эмбрионального развития морского ежа. Во-первых, среди молекул ядерных РНК присутствовали копии обеих цепей ДНК многих повторов. Во-вторых, набор РНК–вых копий повторов изменялся при переходе к каждой последующей стадии эмбриогенеза. В соответствии с ранее высказанным мнением о том, что чередование уникальных и повторяющихся последовательностей как важнейшая черта молекулярной организации эукариот служит одновременно и «зеркалом» генетической регуляции в эукариотических клетках, эти авторы развили гипотезу о координирующем транскрипте. Под этим термином понимается длинная молекула РНК, содержащая значительное число интерсперсных повторов и некодирующих уникальных последовательностей. В ходе процессинга координирующего транскрипта распадаются только уникальные последовательности. В ядре образуется набор повторов, специфичный для определенного типа клеток в количественном и качественном отношениях.

Второй тип транскриптов представлен молекулами РНК, в состав которых входят копии структурных генов и один или немногие повторы, считанные с цепи ДНК, комплементарной координирующему транскрипту. Таким образом, в ядре становятся возможны РНК–РНК–вые взаимодействия копий интерсперсных повторов. Возникновение дуплексных структур вблизи РНК–вых копий структурных генов вызовет процессинг транскриптов второго типа, освобождение иРНК и ее транспорт в цитоплазму. Скорость транспорта иРНК, а в конечном итоге и функциональную активность гена, будет определять интенсивность синтеза и распада координирующего транскрипта. Несмотря на популярность этой гипотезы, она оставляет открытыми немало вопросов, из которых главный – вопрос о том, что же служит регулятором самого координирующего транскрипта.

Существенная особенность генетической регуляции в клетках эукариот – то, что процесс транскрипции зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК в структуре хромомера полностью блокирует синтез РНК. В гигантских политенных хромосомах и в хромосомах типа ламповых щеток описаны мутации, инактивирующие ген, расположенный в каком–либо одном хромомере. Эти мутации, блокирующие декомпактизацию хромомера, находятся либо в самом хромомере, либо тесно с ним сцеплены. Скрещивание гетерозигот по таким регуляторным мутациям в F дает расщепление 3:1, указывая на то, что они затрагивают единичные менделирующие факторы.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: