Гендердің экспрессиялануының (активтенуінің) реттелу механизмдері

арағанды қаласының медицина колледжі

 

 

Тұқым қуалаушылықтың материалы - ДНҚ молекуласы негізінен ядрода шоғырланған, ал белок биосинтезі цитоплазмада - рибосомада жүреді. Сонда, ДНҚ молекуласының бойына. "жазылған" акпарат қалайша цитоплазмаға жеткізіледі? ДНҚ молекуласындағы генетикалық ақпараттың цитоплазмада белок-фермент синтезі күйінде жүзеге асуы тіршіліктің түпкілікті қасиеттерінің бірі болып саналады.

Цитоплазмада белгілі бір белоктың синтезделу активтігі гендердін активтігіне (экспрессиялануына) байланысты екені айдан анық. Жасушада белок биосинтезі екі саты арқылы жүзеге асады - транскрипция және трансляция. Транскрипция дегеніміз - геннің экспессиялануы (активтенуі) нәтижесінде а-РНҚ молекуласының синтезделуі, яғни ДНҚ молекуласыңдағы ақпараттың а-РНҚ молекуласына көшіріліп жазылуы (транскрипция - көшіріліп жазылу деген ұғымды береді), ал трансляция а-РНҚ молекуласының негізінде цитоплазмада - рибосомада, полипептид молекуласының синтезделуі болып табылады.

Транскрипция өте күрделі процесс. ДНҚ бойына орналасқан гендердің бәрі бірдей, бір мезгілде транскрипцияланбайды. Ол біріншіден жасуша тіршілігінің белсеңділігіне және даму кезеңіне, екіншіден, гендердің экспрессиялануының реттелу механизмдеріне байланысты болады. Сондықтан да, бір мезгілде әр түрлі жасушаларда түрліше гендер транскрипцияланады және ағзаның дамуының әр түрлі кезеңдерінде бір жасушаның түрліше гендері экспрессияланады.

Әдетте біз, бір ген — бір белок (фермент) деген ұғым бойынша әрбір ген өз алдына жеке транскрипцияланады деп ойлаймыз. Ал, шын мәнінде, бір белгіні дамытатын бірнеше гендер ДНҚ бойына қатар орналасып, бірге транскрипцияланады. Ондай гендерді кластерлі гендер деп атайды. Кластерлі гендердің бәрі бірдей транскрипцияланып ортақ полицистронды а-РНҚ түзіледі. Осының негізінде бір белгінің дамуына қажет барлық ферменттер бір мезгілде синтезделінеді. Кластерлі гендердің экспрессиялануын ерекше реттеуші гендер реттеп отырады.

Гендердің экспрессиялануының реттелу механизмдерін зерттеу үшін прокариоттар өте қолайлы объект болып саналады, себебі олардың геномдары не бары бірнеше геңдерден құралған және олар өте тез көбейе алады. Сонымен қатар, гендердің экспрессиялануының реттелу механизмдері прокариоттарда да, эукариоттарда да ұқсас жүретіндігі анықталды.

Гендердің экспрессиялануының реттелу механизмін зерттеуде ішек бактериясы — Еsсһеrісһіа соlі өте колайлы объект болды. Е. соlі тіршілігі үшін қалыпты энергия көзі болып глюкоза саналады. Егер де тіршілік ортасында глюкоза болмаса ол лактозаны пайдалануға көшеді. Осы кезде жасушада лактозаны ыдырататын ᵝ -галактозидаза ферменті синтезделуі қажетᵝ -галактозидаза ферменті дисахарид-лактозаны галактоза және глюкозаға ыдыратады.

Е. соlі жасушасында ᵝ -галактозидаза ферментінің синтезделуі қоректік ортада лактоза болған жағдайда индукцияланады, ал оның мөлшері азайса, не мүлдем болмаса бұл ферментті синтезделу қарқыны да азаяды не тоқталады. ᵝ -галактозидаза ферменті синтезделу үшін Е. соlі ДНҚ-сындағы Lac-Z, деген ген транскрипцияланып, оның а-РНҚ-сы түзілуі қажет. ᵝ-галактозидаза ферментінің синтезделу қарқыны индукцияланғаннан кейін 1000 есеге дейін кебейеді және ол қоректік ортада индукторлактоза болса бір деңгейде ұзақ уақыт сақталынады. ᵝ - галактозидаза ферментінің лактозадан басқа индукторы ретінді оның ыдырауында пайда болатын аралық зат – аллолактоза да саналады. Ортада индуктордың (лактоза не аллолактоза) азаюы не жойылуы ᵝ -галактозидаза а-РНҚ-сының нуклеотидтерге ыдырап жойылуына алып келеді. А-РНҚ-ның тіршілік ұзақтығы бірнеше минутқа ғана тең, сондықтан да оның бір денгейде синтезделіп тұруы үшін және жасушада үнемі ᵝ-галактозидаза ферменті синтезделуі үшін ол үнемі индукцияланып тұруы қажет, яғни ортада лактоза не аллалактоза болуы қажет. Сонда ғана а-РНҚ-ның ыдырауы мен синтезделуі теңеседі, жасушада ᵝ -галактозидаза ферменті бір қалыпты синтезделінеді.

Бактерия гендерінің экспрессиялануының реттелуін зерттеу- Ф.Жакоб және Ж. Моно еңбектерінің маңызы өте зор. Олар өздерінің тәжірибелерінің нәтижесінде 1961 жылы гендердің экспрессиялануының реттелуінің оперондық теориясын ұсынды.

Е. соlі жасушасында лактозаны толық ыдырату үшін бір-бірімен тығыз байланысқан екі геннің өнімі қажет. Олар — ᵝ-аллактозидаза ферментін анықтайтын —Lac-Z+ гені және пермеаза ферментін анықтайтын Lac –У+ гені. в-галактозидаза ферментінің қызметі белгілі, ал пермеаза ферменті E. соlі жасушасына лактозаны белсенді тасымалдау қызметін атқарады. Осы екі генмен қатар орналасқан үшінші ген де болады,ол Lac -А+ гені. Бас-А+ гені тиогалактозидтрансацетилаза ферментін анықтайды. Ол жоғарыда келтірілген 2 генмен Lac-Z+, Lac-Y+, тығыз байланысып кластерлік гендер кешенін құрайды, бірге беттелінеді, бірге транскрипцияланады, бірақ лактозаның ыдырауына қатынаспайды. Бұл үш ген мынадай тәртіппен орналасады Z-Y-A. Осы үш геннің бірге иидукциялануының нәтижесінде бір полицистронды а-РНҚ синтезделінеді.

Ф. Жакоб және Ж. Моно өздерінің тәжірибелері нәтижесінде мынадай болжам жасады: Z+,У+,А+ кластерлі гендердің транскрипциялануы оператор (0+) деп аталатын геннің бақылауында болады, ал оператордың қызметі, өз кезегінде, репрессор деп аталатын (1+) ген арқылы реттелінеді. Репрессор екі түрлі қызмет атқарады: 1) егер ортада индуктор (лактоза, аллалактоза) болмаса оның өнімі - репрессор-ақуыз молекулалары, операторды (0+) "тығындап" әрі қарай Z+, У+, А+ гендеріне

акпаратты өткізбей, олардың транскрипциялануын болдырмайды; 2) ал егер ортада индуктор (лактоза, аллалактоза) болатын боса, онда иңдуктор молекулалары (лактоза, не аллалактоза) рецрессор-ақуыз молекулаларына жабысып, қосылып оларды активсіздендіреді, сондықтан активсізденген репрессор молекулалары операторды (0+) "тығындап" жаба алмай, ақпарат әрікарай Z+,У+,А+ гендеріне өтіп олардың транскрипциялануына "рұқсат" беріледі. Осы гендердің транскрипциялануы промотор учаскесінен басталады.

Ф.Жакоб, Ж.Моно - Z+,У+,А+ гендерін және оператор промотор учаскелерін оперон деп атаған.

Сонымен, гендердің экспрессиялануының реттелуіне 3 түрі реттеуші элементтер қатынасады.

1) реттеуші ақуыздар — транскрипцияның инициациялануында не тежелуінде РНҚ полимераза ферментінің активтігіне әсер ететін ақуыздар (репрессор);

2) эффекторлар — ұсақ, белок емес заттар, олар реттеуге ақуыз молекулаларымен қосылып олардың активтігіне әсер етеді; (индукторлар - лактоза, аллалактоза);

3) реттеуші нуклеотид тізбектері — ДНҚ молекуласында болатын кейбір реттеуші нуклеотид тізбектері (промотор, терминатор). Реттеуші ақуыздардың осы учаскелерге тигізетін әсерінің нәтижесінде а-РНҚ синтезінің активтігі реттелінеді.

Ф.Жакоб және Ж.Моно өздерінің оперондық гипотезасы теория күйінде болжамдаған болатын. Ал қазіргі кезде оперон теориясының шындығы көптеген тәжірибелер арқылы дәлелденген. Мысалы, таза күйінде репрессорды бөліп алып зерттеп оны ақуыз екендігі дәлелденді; репрессор молекуласындағы аминқышқылдарының реті анықталып, оның I+ геніндегі нуклеотидтер тізбегінің кодына колинеарлы болатындығы анықталды. Сонымен қатар, реттеуші ақуыздардың ДНҚ молекуласының реттеуші аймақтарымен нақтылы байланысатындығы анықталды. Мысалы, 3,2 х106 нуклеотид жұбынан тұратын Е. соlі ДНҚ-сының ішінен Lас - репрессор тандап тек қана белгілі бір нуклеотидтер тізбегімен (оператор) байланысады, ал оның ұзындығы не бары 24 нуклеотид жұбына тең.

Прокариоттар негізінде зерттелініп, анықталған гендерді экспрессиялануының реттелуінің оперондық механизмі эукариоттарға да тән. Тек, эукариоттардың айырмашылығы, көп жасушалы ағзаларда әр түрлі жасушалар бірдей және түрліше ақуыздарды синтездейді. Яғни эукариоттардың гендері екі топқа бөлінеді: 1) бір жасушаның түпкілікті, әмбебапты тіршілік қызметін қамтамасыз ететін, яғни барлық жасушалар типінде кездесетін, гендер. Оларды "тұрмыстық" гендер деп атайды, оларсыз кез-келген жасушаның тіршілігі мүмкін емес; 2) жасушаның ерекше қызметтерін қамтамасыз ететін және тек кейбір жасушаларда ғана актив болатын гендер. Оларды "молшылық" гендері деп атайды.

Эукариоттар гендерінің экспрессиялануының реттелу жобасын 1972 жылы Г.П.Георгиев жасаған.

Көп жасушалы ағзалардың ДНҚ молекуласының ұзындығы бір жасушалыларға қарағанда әлдеқайда ұзын, бірақ сол ДҢҚ молекуласының бәрі бірдей а-РНҚ-ға айналмайды, себебі алғашқы про-а-РНҚ (Гя-РНҚ) түзіліп, оның тек азғана бөлігі -10% ғана, а-РНҚ-ға айналады. Адам геномы 2,9 х10⁶ нм тұрады десек, одан пайда болған а-РНҚ мөлшері 2 х 10⁸ нм тең. А-РНҚ гендерінің орташа ұзындығы 1800 нм тең десек адам геномында 110000-ға жуық құрылымдық гендер кездеседі (соңғы кездері адам геномындағы гендердің саны 30000 деп айтылуда).

Эукариоттар гендерінің экспрессиялануының реттелу механизмі прокариоттарға ұқсас. Дегенмен, оның кейбір ерекшеліктері де белгілі. Эукариоттар гендері экзон-интрон учаскелерінен тұрады. А-РНҚ пісіп жетілуінде (процессинг, сплайсинг) интрондар үзіліп түсіп, экзондар бір-бірімен жалғанады. Сол сиякты, эукариоттар жасушасында ДНҚ молекуласы гистонды белоктармен өте тығыз байланыскан, ал бұл көп жағдайларда РНҚ - полимераза ферментінің әсеріне беріле бермейді де а-РНҚ синтезделмейді.

Эукариоттар гендерінің транскрипциялануының инициациясы прокариоттар сияқты промотордан басталады. Промотор учаскесіне жақын жерлерде А—Т нуклеотидтері жиі кездесетін ген орналасқан, оның ұзындығы 20—30 нуклеотидтерге тең. Бұл аймақты Гольдберг-Хогнесс боксы немесе "ТАТА..." тізбегі деп атайды. "ТАТА..." тізбегі РНҚ-полимераза ферментімен байланысып транскрипцияның басталу нүктесін анықтайды.