Регуляция работы генов у прокариот и у эукариот

Работа генов в любом организме – прокариотическом, эукариотическом, одноклеточном или многоклеточном контролируется и координируется.

11.1. Регуляция работы генов у прокариот.

В 1961 г. французике ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно создали оперонную модель регуляции транскрипции, объясняющую механизм «включения» и «выключения» тех или иных генов, в зависимости от потребности бактериальной клетки в метаболитах.

Классическим примером регуляции экспрессии (или реализации) служит: функционирование 1) лактозного и 2) триптафанового оперона кишечной палочки.

Лактозный оперон. Многими учеными замечено, что некоторые ферменты у дрожжей и бактерий образуются в клетках только при выращивании их на определенных питательных средах. Например, при выращивании кишечной палоч­ки на питательной среде, не содержащей лактозы, ее клетки содержат незначительное число (меньше пяти) молекул фермента лактазы, разлагающего лактозу на глюкозу и галактозу. При добавлении в питательную среду лактозы бактериальные клетки в течение 2-3 мин синтезируют большое количество лактазы (свыше 5 тыс. молекул). При удалении из среды лактозы синтез лак­тазы быстро прекращается. Вещества, индуцирующие синтез ферментов, которые их разлагают, называются индукторами (в данном примере индуктором является лактоза).

Триптафановый оперон. Подобные механизмы используются клеткой для вык­лючения синтеза нужных ей соединений при их наличии в питательной среде. Например, аминокислота трипто­фан синтезируется при участии фермента триптофан-синтетазы. Однако, если в среде, на которой выращиваются бактерии, присутствует триптофан, синтез фермента не­медленно прекращается. Это явление получило название репрессии, а вызывающий его фактор (в нашем приме­ре — триптофан) — корепрессором.

Рис.. Схема регуляции транскрипции у прокариот. (а) Оперон «не работает»

(б) Оперон «работает »

а)

б)

Оперон – это группа генов (т.е. участок ДНК), работа которых контролируется одним геном-регулятором. Единица считывания информации у прокариот.

Ген-регулятор – это ген, находящийся обычно на некотором расстоянии от оперона (т.е. он не входит в организацию оперона), постоянно активен и на основе его информации синтезируется особый белок-репрессор. Репрессор обладает очень сильным сродством к гену- оператору и может легко присоединяться к нему.

Индукция. Присоединение молекулы индуктора к активному участку молекулы репрессора изменяет его третичную структуру так, что он не может связаться с геном-оператором и блокировать его. Оператор оказывается в активном состоянии и включает структурные гены, а именно, отсутствие блокады гена оператора позволяет РНК-полимеразе связаться с геном-промотором. Закрепившись, РНК-полимераза может начать транскрипцию структурных генов оперона. В качестве индукторов могут выступать продукты распада белка, гормоны и др. метаболиты.

Инактивация. Если индуктор в клетке отсутствует, то репрессор обладает способностью связываться с геном-оператором. При этом происходит инактивация оператора и тем самым предотвращается включение структурных генов, т.е. РНК-полимераза не связывается с геном-промотором и транскрипция отсутствует

Оперон включает в себя следующие гены:

1. Ген-промотор с инициатором - это место первичного прикрепления РНК-полимеразы ( фермента, синтезирующего РНК на ДНК ) — фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого синтеза и-РНК. Является местом начала транскрипции. Кроме того, промотор определяет, какая из двух цепей ДНК будет служит матрицей для синтеза иРНК. Промотор находится со стороны 5'-конца кодирующей цепи гена.

2. Ген-оператор - точка начала считывания генетической информации, он управляет функционированием структурных генов оперона, т.е. включает и выключает их (т.е. структурные гены), следовательно, они активны непостоянно. Если этот ген свободен, то это значит, что работа структурных генов разрешена, если он связывается с репрессором, то работа этих генов прекращается.

3. Структурные гены - это гены, несущие генетическую информацию о последовательности аминокислот в молекулах белков (ферментов).

4. Т ерминатор – это участок (локус) в конце оперона, сигнализирующий о прекращении транскрипции, т.е. место окончания синтеза иРНК.

11.2. Регуляция работы генов у эукариот. Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г. П. Георгиевым (1972).

Рис. ___. Схема регуляции транскрипции у эукариот

Единица транскрипции (т.е. единица считывания информации) у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон.

Неинформативная зона начинается промотором с инициатором. Далее следуют группа генов-операторов, за которыми расположена информативная зона.

Информативная зона образована структурным геном, разделенным на экзоны (информативные участки) и интроны. (неинформативные участки).

Заканчивается транскриптон терминатором.

Работу транскриптона регулирует несколько генов-регуляторов, дающих информацию для синтеза нескольких белков-репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (например, гормоны), для расщепления которых требуется несколько ферментов (многоступенчатые реакции). Когда индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-полимераза разрывает водородные связи между двумя цепочками ДНК транскриптона и по правилу комплементарности на нем сначала синтезируется большая молекула проинформационной РНК (про-и-РНК), списывающая информацию как с информативной, так и с неинформативной зон. В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг (англ. processing –обработка, переработка ) — ферментативное разрушение неинформативной части РНК и расщепление ферментами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Молекула и-РНК (моноцистронпая), соответствующая экзонам структурного гена, формируется посредством сплайсинга (сплавления или соединения) отдельных информативных фрагментов ферментами лигазами. Далее и-РНК выходит из ядра, идет в рибосомы, где и происходитсинтез белка-фермента, необходимого для расщепления индукторов. Включение и выключение транскриптона происходит принципиально так же, как и оперона.