Лекция №21.

Тема:Модель Оперона. Регуляция экспрессии генов.

Цель:

Содержание лекции:Генетический контроль и регуляции генной активности. Система оперона ген-регулятор, ген-оператор, структурный ген, обеспечивающая дифференциальное функционирование генов у организмов. Концепция «1 ген – 1 фермент» и «1 ген – 1 полипептидная цепь».

Генетический код и явление трансляции.

Трансляция с молекул и - РНК в рибосомах происходит благодаря комплементарному соответствию кодона и – РНК и антикодона в молекулах т – РНК. Начало прямого генетико-биохимического анализа природы кодонов было получено в 1961г. Ниренбергом и Матти, которые создали простейшие синтетические полимеры и заменили ими молекулу и- РНК в системе из компонентов клеток бактерий и смеси аминокислот. В смеси каждого типа одна из аминокислот была помечена радиоактивным углеродом- С¹⁴, другие 19 аминокислот не обладали меткой. Было найдено, что синтетический полирибонуклеотид, составленный только из урацилов–полиурациловая кислота определяла синтез белка, в котором каждая аминокислота была фенилаланином. В другом опыте было показано, что полинуклеотид, состоящий только из цитозинов, определял включение в белок аминокислоты пролин. Синтетические полинуклеотиды были составлены только из одного типа нуклеотидов. Затем были найдены пути более сложных синтезов молекул из разных нуклеотидов с разными взаимоположениями. Это новая методика была широко использована Очоа и его сотрудниками. Она позволила им определить триплеты для всех 20 аминокислот. При этом были определены свойства генетического кода: Генетический код имеет вырожденный характер, что означает способность для одной и той же аминокислоты быть кодированной несколькими разными триплетами, при условии квазидуплетности. Например: аланин кодируется триплетами: АЦГ, ЦЦГ, УЦГ, ГЦГ, в которые вовсех случаях входят нуклеотиды цитозин и гуанин. Для всех двацати аминокислот были найдены их кодоны.

Язык, на котором клетка дает генетические приказы для синтеза молекул белков, оказался исключительно универсальным. В опыте, Эренштейн и Липман – 1961г., молекулы и – РНК и рибосомы были взяти из ретикулятов кролика, а т – РНК из клеток бактерии Е. Colu. В бесклеточной системе были синтезированы белки, аналогичные гемоглобину кролика. Такие полинуклеотиды могли образоваться лишь в том случае, когда антикодоны в т – РНК Е. Colu соответствуют кодонам в молекуле и – РНК кролика. Огромную роль в генетическом коде играют так называемые бессмысленные триплеты. Эти триплеты не соответствуют ни каким аминокислотам, и на них обрывается синтез белковой цепи. Они играют роль пунктуации, определяя границы между генами и давая сигналы для конца транскрипции.

В некоторых условиях код может оказаться двуссмысленным, это означает, что один триплет может кодировать несколько аминокислот. Так кодон УУУ в обычных условиях кодирует аминокислоту фенилаланин. Однако, если рибосомы обработать стрептомоцином, этот кодон начинает кодировать также:

серин и изоцелин.

Генетический код характеризуется также неперекрываемостью. Этот принцип был доказан исследованием мутаций нарушающих синтез белка. В случае перекрываемости кода изменения в одной паре нуклеотидов неизбежно должны вести к нарушению в трансляции трех аминокислот, ибо при перекрещивающемся коде каждый из нуклеотидов входит в три кодона. На самом же деле эксперименты показали, что мутации изменяют транслирование только одной аминокислоты, что подтверждает неперекрываемость генетического кода. Для теории генетического кода существенна характеристика протекания процесса транскрипции. Было показано, что триплетный генетический код считывается постепенно со стартовой точки в начале гена и постепенно доходит до конца.

Справедливость этой концепции была показана в опытах Крика и др. в 1961г. изучивших акридиновые мутации у фага Т₄. Было показано, что действие акердиновых оснований имеет специфику. Акредин вызывает в нити ДНК вставку отдельных азотистых оснований или их потерию. Эти факты позволили Крику предположить, что генетический код начинает считываться со стартовой точки, что этот процесс считывание идет в определенном направлении. Так, если мы имеем нить ДНК в виде ряда оснований, считывание кода в нормальной гене идет

авс авс авс авс авс авс - нор.

авс авс авс савсавсавс вст.- с

авс авс авс аавсавсавсавс

дубликация – а

авс авс авс всавсавсавсавс

делеция – а

авс авс с авсав авс авс авс

вставка –с и потерия - с

от стартового триплета направо. Появление вставки ведет к тому, что все три плеты после вставки изменяются. То же происходит при потере нуклеотида – делеции. При появлении нехватки в хромосоме уже имевшей вставку, код оказывается нарушенным только между мутантными сайтами. В первом случае синтез белка нарушен, во втором он оказывается в значительной мере восстановлен. Факт триплетности кода в этих опытах следовал из того, что нить имевшая две вставки нарушила синтез белка, однако при добавлении третьей вставки он восстанавливался или наоборот три нехватки.

авс авс авс с авс авс с авс авс с авс авс авс

авс авс ав авс авс ав авс авс ав авс авс авс

Теория генетического кода предполагает, что аминокислоты в белке располагаются в той же последовательности, в какой кодоны расположены в гене. Это положение получило название линейного соответствия аминокислот и кодирующих их триплетов в соответствующем отрезке ДНК. Правильность этого положения доказана экспериментально.

Регуляция действия генов.

Гены, контролирующие синтез ферментативных белков путем кодирования положения аминокислот в молекуле белка, получили название структурных генов. Однако оказалось что их эффект не является автономным, существует еще целая система генов, которые регулируют действие структурных генов. Хорошо известно, что ферменты в клетке представлены двумя классами: конститутивные и индуцированные. Конститутивные ферменты бактериальной клетки встречаются в ней всегда, они не зависимы от условий среды. Индуцированные ферменты образуются только при наличии определенных индукторов. Это явление получило название ферментативной индукции.

Кроме того, в клетке есть вещества, которые репрессируют синтез ферментов. Эти два механизма репресси и индукции позволяют клетке целесобразно реагировать на изменение условий во внешней среде. Анализ этих вопросов позволил открыть явление регуляции в действии генов. Эта работа была выполнена Жакобом и Моно в 1961 г. У бактерии Е сolii имеется серия мутаций в лактозном локусе, которые не сбраживают лактозу. Одна группа мутантов Z не вырабатывает фермент. В – галактозидазу, который гидрализует лактозу на глюкозу и галактозу. Другая группа мутантов (у) не синтезирует особый компонент мембраны, называемый β – галактозидпермеазой, В – галактозидаза является индуцированным ферментом и индуктором в этом случае служит лактоза. Поэтому клетки Е сolii нормальным генотипом Z⁺ У⁺, имея β – галактозидпермеазу и получая только лактозу из среды, имеют возможность осуществлять деятельность гена «Z⁺» для выработки β – галоктазидазы. Все это показывает на наличие общего контроля над группой рядом расположенных структурных генов. Такого рода район, где имеется группа генов, деятельность которых координируется единым образом, получил от Жакоба название оперон.

Генетический анализ показал, что индуцированность генов «Z⁺» и «У⁺» не является их отличительным свойством. Она возникает потому, что в генотипе этих клеток Е сolii присутствует ген “I⁺”. Этот ген репрессирует деятельность генов «Z⁺» и «У⁺» через ген О.

При мутации гена «I⁺» в его неактивный нормальный аллель «i» репрессия снижается и гены «Z⁺» и «У⁺» начинают функционировать. Однако вещество репрессора играет свою роль только в том случае, если оно подавляет деятельность гена «О». Если деятельность гена «О» не подавлялась, он запускает в работу весь набор оперона. Таким образом, в нашем случае ген «I⁺» выступает как ген-регулятор, который определяет функцию ряда структурных генов в опероне, влияет через них на синтез нескольких белков. Ген О выступает как оператор, который пердает приказы гена-регулятора на специфику структурных генов.

Ген – регулятор «I⁺» может находиться и в другой хромосоме. Гены «Z⁺» и «У⁺» являются структурными генами, контролирующими синтез белков. Способность этих генов к передаче информации на молекулу и-РНК зависит от нормальной деятельности оператора – «О». если оператор подавлен веществом репрессора, гены «Z⁺» и «У⁺» теряют свою активноссть.

Американский генетик Мак Клинток указала на возможность существования системы оперонов у высших растений. Белая окраска зерна кукурузы возникает при наличии гена-диссоциатора «DS», который является доминантным супрессором. Этот ген вызывает появление разрывов хромосом в близких к нему районах. Нормально ген «DS» локализован близко к гену окраски – А, и в этом случае его действие полностью проявляются, зерна оказываются белыми. Если же при разрыве еще в период до формирования зерна он удаляется от гена «DS» от основного гена окраски происходит в процессе формирования зерна, то на нем появляются окрашенные точки и пятна на белом фоне, величина которых зависит от стадии, на которой произошел разрыв хромосом. Попадая в другие места, ген «DS» начинать супрессировать своих новых соседей.

Способность гена «DS» вызывать разрывы хромосом контролируется геном – активатором «Ас», нормально локализованном в другой хромосоме. Были получены растения кукурузы без гена «Ас», а также с наличием одного, двух, трех генов. В отсутствии этого гена, но при наличии гена «DS» зерно чисто белое. Ген «DS» не вызывает разрывов и сам не может отделиться от гена окраски. В присутствии гена «Ас» появляются окрашенные пятна, значит происходит разрыв хромосом. Очевидно, что ген «Ас» действует как ген-регулятор, а ген «DS» выступает в роли гена-оператора.

Имеются данные, что считывание кода захватывает весь оперон в целом. Он продуцирует одну длинную молекулу и-РНК. Считывание идет от одного локуса к другому. Будучи единой молекулой и-РНК оперона, эта молекула разбита на информацию по отдельным генам. Она считывается начиная с гена-оператора, прерывисто включая структурные гены.

Регуляция активности генов у высших организмов характеризуется более жесткой репрессией генов. Образующиеся на ДНК молекулы и-РНК могут находиться в не активном состоянии, будучи связанные с белком в составе особых РНК-частиц.

Рекомендуемая литература: М.Е. Лобашев и др.«Генетика с основами селекции». М., МГУ, 1978год. 425стр.

С.Г. Инге-Вечтомов «Генетика с основами селекции». Москва «Высшая школа». 1989год, 590стр.

Р.Г. Заяц. и др. «Общая и медецинская генетика». Ростов- на- Дону. «Феникс». 2002год. 315стр.