Тонкая структура гена и механизм считывания информации с гена

    Промотор  – это регуляторный участок ДНК, который служит для присоединения  РНК-полимеразы к молекуле ДНК.

    Оператор  – 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  – это регуляторный участок ДНК, который служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза мРНК.

    Общие принципы регуляции активности генов  в оперонах разработали Франсуа  Жакоб и Жак Моно (1961; Нобелевская  премия 1965). Согласно концепции Жакоба–Моно, единицей регуляции активности генов  у прокариот является оперон. 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.

    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.

    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 (Г.П. Георгиев), 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.

    Существенная  особенность генетической регуляции  в клетках эукариот заключается  в том, что процесс транскрипции зависит от состояния хроматина. В частности локальная компактизация  ДНК в её отдельных участках полностью  блокирует синтез РНК. Вероятно, это связано с тем, что в такие области не может проникнуть РНК-полимераза.

    Сам факт тотальной регуляции действия генов в настоящее время не вызывает сомнений. Активность генов оценивается по числу типов генных продуктов (РНК-вых копий) в цитоплазме. Этот вопрос был исследован на клетках человека линии HeLa – «стандартной» раковой ткани, культивируемой in vitro в течение десятков лет. Геном клеток HeLa считается сильно дерепрессированным, т. е. в них функционирует значительно большее (около 35 тыс.) 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 четыре порядка. Так, существует около 10-12 генов, представленных 12-13 тыс. РНК-вых копий, и несколько десятков генов, которым в цитоплазме соответствуют единичные молекулы мРНК.

    Клетки  различных тканей растений и животных отличаются друг от друга главным образом тем, что в них происходит синтез различных групп белков, что и определяет их структурную и функциональную специфику. Таким образом, проблема генетического контроля индивидуального развития тесно связана с проблемой дифференциальной экспрессии генов. Экспрессия генов зависит от факторов внешней и внутренней среды и, в то же время, находится под контролем генотипа. Например, известны особые гомеозисные гены, контролирующие экспрессию других генов.

    Регуляция экспрессии генов осуществляется на различных уровнях: генном, транскрипционном, посттранскрипционном, трансляционном и посттрансляционном (функциональном).

    1. Регуляция на генном уровне

    1.1. Модификация ДНК. Замена мажорных «обычных» азотистых оснований – аденина, гуанина, цитозина и тимина – на минорные «редкие» азотистые основания, обычно на метил-цитозин или метил-гуанин. Доказано, что метилирование цитозина существенно влияет на экспрессию генов. Например, активные гены гемоглобина менее метилированы, чем неактивные.

    1.2. Различные случаи программированных количественных изменений ДНК. Примером регуляции, обусловленной транспозицией, служит феномен смены фаз (типа жгутиков) у сальмонелл. Действующий в клетках сальмонелл переключатель содержит промотор, который может изменять свою пространственную ориентацию. В одной ориентации промотор обеспечивает транскрипцию гена Н2, кодирующего синтез жгутиков одного типа, с одновременной репрессией гена H1, кодирующего синтез жгутиков другого типа, и наоборот.

    1.3. Сплайсинг ДНК. Регуляция, связанная со сплайсингом ДНК, изучена на примере генов, кодирующих синтез антител.

    Известно, что разнообразные чужеродные вещества – антигены, попадающие в наш  организм, – связываются особыми  белками – антителами, или иммуноглобулинами. Млекопитающие могут продуцировать до миллиона различных антител, которые вырабатываются Т- и В-лимфоцитами иммунной системы. Существует особый раздел генетики – иммуногенетика,– который изучает генетический контроль иммунного ответа. Основу молекул иммуноглобулинов составляет сложный белок, состоящий из четырех полипептидных цепей – двух тяжелых (Н) и двух легких (L), – связанных дисульфидными мостиками. Оба типа цепей имеют константные (С) и вариабельные (V) участки. Доказано, что у эмбрионов фрагменты ДНК, кодирующие V- и С-участки, пространственно разделены. При развитии системы иммунитета у позвоночных животных и человека происходит дифференцировка лимфоцитов, в ходе которой гены, кодирующие V- и С-участки, перестраиваются таким образом, что в итоге они оказываются частями одного и того же гена, транскрибируемого как целое. Таким образом, сплайсинг ДНК обеспечивает сшивание консервативных (т.е. постоянно присутствующих) районов этих генов с различными варьирующими. В результате появляется большое число типов антител, поскольку любая консервативная область может быть присоединена к любой варьирующей.

    1.4. Диминуция хроматина. У некоторых организмов (у аскарид, циклопов) в соматических клетках происходит необратимая утрата части генетического материала (от 20 до 80% ДНК). В полном объеме исходная генетическая информация сохраняется только в клетках зародышевого пути, т. е. в клетках, которые дадут в дальнейшем начало половым клеткам. Именно гаметы содержат всю полноту генетической информации данного вида и составляют непрерывный, потенциально бессмертный зародышевый путь. А. Вайсман считал диминуцию хроматина универсальным механизмом дифференцировки клеток и тканей, однако в дальнейшем было показано, что этот способ дифференцировки встречается довольно редко. Например, подобное явление наблюдается у инфузорий: в диплоидном микронуклеусе полностью сохраняется исходный набор генов, а в полиплоидном макронуклеусе ~10% генов (правда, за счет полиплоидизации оставшаяся информация многократно дублируется).

    1.5. Изменение активности целых хромосом.

    Известно, что у самок млекопитающих  в кариотипе присутствует две  X-хромосомы, а у самцов одна X- и одна Y-хромосома.  Несмотря на то, что женские особи млекопитающих имеют две Х-хромосомы, а мужские – только одну, экспрессия генов Х-хромосомы происходит на одном и том же уровне у обоих полов. Это объясняется тем, что у самок в каждой клетке полностью инактивирована одна Х-хромосома. Эту хромосому можно видеть в интерфазе в форме гетерохроматинового тельца, названного тельцем Барра. Х-хромосома инактивируется на ранней стадии эмбрионального развития, соответствующей времени имплантации. При этом в разных клетках отцовская и материнская Х-хромосомы выключаются случайно. Состояние инактивации данной Х-хромосомы наследуется в ряду клеточных делений. Таким образом, женские особи, гетерозиготные по генам половых хромосом, представляют собой мозаики.

    2. Регуляция на уровне транскрипции

    Во  многих случаях дифференцировка  происходит путем регуляции транскрипции мРНК. Интенсивное функционирование отдельных генов или их блоков соответствует определенным этапам развития и дифференцировки.

    При изучении гигантских политенных хромосом (в слюнных железах личинок  дрозофил) и петель в хромосомах типа «ламповых щеток» (в ооцитах  на стадии профазы I) было установлено, что мРНК синтезируется с разной скоростью в разных участках хромосом, в частности, образование пуфов и петель связано с повышением интенсивности синтеза мРНК.

    В гигантских политенных хромосомах часто  наблюдаются вздутия определенных районов хромосом, обусловленные декомпактизацией отдельных дисков и интенсивным синтезом в них РНК. Эти вздутия называются пуфы (или кольца Бальбиани). Пуфы представляют собой места интенсивного синтеза мРНК. Формирование комплексов пуфов, характерных для клеток отдельных тканей и органов дифференцированного организма, является показателем общего уровня наиболее интенсивно протекающих метаболических процессов в данных клетках. При снижении синтетической активности петли синтезированная мРНК отделяется от хромосомы и пуфы политенных хромосом исчезают.

    Последовательность  образования пуфов изменяется при  воздействиях различными химическими агентами, стероидами, температурными условиями. Некоторые антибиотики, влияющие на обмен РНК (например, актиномицин), подавляют образование пуфов, а антибиотики, ингибирующие синтез белка (например, пуромицин), не влияют на этот процесс. Следовательно, активность пуфов находится под контролем гормональных факторов (закодированных в генотипе) и факторов внешней среды.

    Особенно  велика роль стероидных гормонов в регуляции генной активности у животных. Однако отдельные гормоны активируют гены не во всех клетках, а только в клетках-мишенях, которые содержат специальные рецепторные белки, с которыми специфически связываются молекулы гормона. Это связывание происходит в цитоплазме, а затем образовавшийся комплекс проникает в ядро, где он взаимодействует с определенными негистоновыми белками хромосом. В отсутствие гормонов эти белки блокируют либо промоторные, либо иные, пока неизвестные регуляторные участки определенных генов. Комплекс «гормон – рецепторный белок» снимает блокирующее действие негистонового белка-репрессора, следствием чего являются транскрипция данного гена, созревание мРНК, транспорт ее в цитоплазму и синтез белка.

    Связь синтетической активности с морфологическими преобразованиями хромосом была установлена при изучении оогенеза у амфибий, в ходе которого образуются хромосомы типа «ламповых щеток». Эти хромосомы получили свое название за сходство со щетками, которыми когда-то чистили керосиновые лампы. Они имеют отчетливо выраженное хромомерное (узелковое) строение. Из хромомеров в виде петель вытянуты ДНК-вые оси хромосом. Поскольку хромосомы типа ламповых щеток существуют в диплотене и состоят из четырех хроматид, каждый участок таких хромосом представлен четырьмя хромомерами и четырьмя петлями. Окружение петель представляет собой гранулы и фибриллы, состоящие из вновь синтезированной РНК и белков. Таким образом, петли – это участки хромомера с интенсивной транскрипцией. Обычно в них легко различают тонкий конец, где начинает свое движение РНК-полимераза, и толстый конец, где транскрипция заканчивается. При снижении синтетической активности петли синтезированная РНК отделяется от хромосомы и петля спадает.