Молекулярный механизм

Молекулярные механизмы

регуляция молекулярных механизмов

локусы генов

Генная экспрессия - это молекулярный механизм реализации наследственной информации, благодаря которому ген проявляет свой потенциал конкретной фенотипически признаку организма. Процесс экспрессии гена состоит из нескольких этапов:

1. Код гена ДНК превращается в код про-иРНК. Первый этап экспрессии называется "транскрипцией".

2. Сложная молекула про-иРНК испытывает "просинг ", вследствие чего значительно уменьшается по размерам. Образуется зрелая иРНК, считывание информации из которой упрощается. Биологический смысл просинг - облегчение доступа к наследственной информации.

3. Информационная РНК при участии тРНК выбирает необходимые аминокислоты и связывает их на рибосоме соответствии к последовательности аминокислот в молекуле белка. Этот процесс называется трансляцией.

4. Синтезированный полипептид подвергается модификации и влияет на морфологическую или функциональную признак (Фенотип) клетки или организма. Этот процесс называется "Экспрессией". Все этапы экспрессии генов происходят с использованием энергии под воздействием десятков ферментов.

Основой экспрессии генов является молекулярные процессы транскрипции, про- цесингу, трансляции и модификации.

В процессе транскрипции участвует не только информативная часть гена, но и другие регуляторные и структурные участка. Про-иРНК содержит множество элементов которые характерны для ДНК. Процессинг существенно модифицирует про-иРНК, которая превращается в иРНК и содержит значительно меньше структурно-функциональных элементов. Вследствие трансляции на основе иРНК образуются молекулы совершенно другой природы - белки, не имеющие ничего общего с нуклеиновыми кислотами, имеют другие свойства и организацию. Модификация полипептида приводит еще к одному природного явления - появления сложной пространственной организации молекулы белка. Происходит переход линейной информации ДНК и РНК в пространственную организацию протеина, который, в частности, являются составной специфической пространственной взаимодействия молекул в живом организме, которая является основой жизни.

Регуляция экспрессии генов. Генетический аппарат – это тонко регулируемая система. Известно, что гены не проявляют постоянной активности. Ген находится в неактивном состоянии, но когда есть необходимость, он активируется а это, в частности, обуславливает синтез соответствующего белка. Таким образом, клеткам присущ механизм, контролирующая количество любого фермента в определенный промежуток времени. Синтез белков регулируется генетическим аппаратом и факторами внутреннего и внешней среды. Концепция оперона в регуляции генов у прокариот.

В 1961 г. французские биологи Ф. Жакоб и Ж. Моно предложили механизм регуляции генов, который был названо гипотезой оперона. Они обнаружили, что добавление лактозы к культуре Е.соии индуцирует образование сразу трех ферментов: галактозидазы, пермьазы и трансацетилазы, необходимых клетке для расщепления лактозы до глюкозы и галактозы. Гены, кодирующие эти ферменты, граничат друг с другом в хромосоме, их назвали структурными генами, или цистрона. Они транскрибируются РНК-полимеразой в одну длинную иРНК, что кодоны для всех трех ферментов. Информационная РНК, транскрибируется из нескольких генов, называется полицистронная. Функция этих цистрон контролируется участком молекулы ДНК, которая называется оператором.

Операторное локус - это определенный участок последовательности нуклеотидов длиной 27 пар оснований. Данный сегмент ДНК расположенный между промотором, к которому перед началом транскрипции присоединяется РНК-поли- Мераз, и началом первого структурного гена (5-Галак- тозидазы. Цистрон синтезирует иРНК, если оператор включен, и прекращает синтез, когда он выключен. Оператор включается или выключается белком, назвали репрессор, синтезированным регуляторным геном. Репрессор или связывается с оператором и подавляет его активность, или не связывается с ним, позволяет проявлять активность структурным генам. Таким образом, репрессор является негативным регулятором. Все названные элементы функционирования генов входят в состав оперона.

Белок-репрессор не является обязательным для функционирования оперона, но он необходим для регуляции его работы. Таким образом, значение гена-регулятора заключается в том, чтобы с помощью белка-репрессор управлять функционированием структурных генов. Итак, оперон - это последовательность специальных функциональных сегментов ДНК и структурных генов, кодирующих синтез определенной группы белков одного метаболического цепи, например, ферментов гликолиза. Регулируемая единица транскрипции состоит из следующих структурных частей:

1) ген-регулятор, который контролирует образование белка-репрессор,

2) промотор - Участок ДНК, к которой присоединяется РНК- полимераза и с которой начинается транскрипция;

3) оператор - участок промотора, которая может связывать репрессор,

4) структурные гены - участки ДНК, кодирующих иРНК конкретных белков,

5) терминаторна участок ДНК, которая несет сигнал об остановке транскрипции. Особенности экспрессии генов в эукариот.

Принцип экспрессии и ее регуляции одинаков как у прокариот, так и в эукариот. Однако последние, особенно многоклеточные, - более сложные организмы, поэтому экспрессия их генов сложнее и несколько отличается по деталями. В частности, можно отметить следующие особенности экспрессии в эукариот:

1. Геном высших эукариот значительно сложнее (например, гаплоидный геном человека имеет примерно 40000 генов, расположенных в 23 хромосомах, а у прокариот есть только одна хромосома и около тысячи генов).

2. В клетках эукариот ядерная оболочка пространственно разделяет процессы транскрипции и трансляции, хромосомы находятся в ядре, а рибосомы в цитоплазме. Экспрессия генов в эукариот включает намного больше этапов. Поэтому у них есть такие механизмы регуляции, которые отсутствуют в клетках прокариот, например, процессинг.

3. На экспрессию эукариотических генов влияет амплификация генов - многократное увеличение числа копий одинаковых генов с целью интенсификации синтеза молекул, необходимых на определенный момент времени (Например, последовательности ДНК, повторяющиеся обеспечивают сотни копий генов рРНК и тРНК).

4. У представителей эукариот не установлено полной опероннои организации генетического материала. Гены ферментов определенного метаболического цепи могут быть расположены в разных хромосомах. Они обычно не имеют системы регуляции в виде гена-регулятора, оператора и промотора, поэтому синтезированные в ядрах эукариот иРНК Моноцистронная. Регуляция активности генов в эукариот сложнее. В этом процессе участвуют сразу несколько генов-регуляторов, то есть регуляция транскрипции эукариот является комбинативной.

5. Еще одна особенность генома эукариот – наличие специальных "усилительных" сегментов ДНК - энхансер. Они могут располагаться на большом расстоянии от промотора. их функция – участие в регуляции активности структурных генов. Препромоторных элемент и энхансер регулируются соответствующими регуляторными белками. Некоторые белки-регуляторы выполняют координирующее влияние на активность многих генов, т.е. имеющие плейотропных действие.

6. Геном эукариот претерпевает регуляторного влияния со стороны эндокринной системы организма. Многие гормоны являются индукторами транскрипции. В частности, это касается стероидных гормонов, которые обратно связываются с белками-рецепторами, переносят их в ядро. Такой комплекс связывается со специфической участком хроматина, ответственным за регуляцию генов (например, тестостерон активизирует гены, определяющие развитие организма по мужскому типу).

7. Известно, что регуляция активности генов эукариот связана с образованием комплекса ДНК с белками хроматина. В таком виде гены нуклеосом НЕ способны к транскрипции. Поэтому необходимым условием является частичная декомпактизация хроматина и ослабления связей с гистоновыми белками. Однако полная нуклео- сомни организация хроматина в процессе транскрипции не теряется.

8. Контроль экспрессии генов в эукариот осуществляется также на стадии трансляции (например, путем влияния на фактор инициации. Поэтому, даже при наличии в цитоплазме иРНК, синтеза на ней может не происходить.

9. Некоторые гены эукариот несколько раз повторяются, а определенные участки ДНК вообще не играют генетической роли, например, сателлитная ДНК. Геном эукариот "Избыточный". Уникальные свойства генома эукариот у разных видов составляют 15-98%. У человека уникальные последовательности нуклеотидов составляют 56%. Кроме этого, в геномах эукариот содержатся последовательности, повторяющиеся несколько десятков, сотен и даже миллионов раз. Они находятся среди уникальной ДНК. К таким последовательностей относятся элементы с непостоянной локализацией. Их называют транс- позонамы, или мобильными элементами. Гены, повторяющихся выполняют разнообразную биологическую роль: регуляции воспроизводства ДНК, участие в кроссинговере, обозначения границы между экзонами и интроны т.д. Уникальная ДНК входит в состав структурных генов, но больше половины ее не бывает активным. Регуляция экспрессии генов эукариот может осуществляться на стадии посттрансляционных изменений (например, для образования активной формы белкового гормона инсулина, из молекулы проинсулина вырезаются две цепочки, которые впоследствии сшиваются дисульфиднимы связями).

 


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+