Особенности реализации наследственной информации у эукариот

Геном эукариот организован сложнее, чем у прокариот. Для него характерен хромосомный уровень организации. В хромосомах ДНК находится в окружении белков. В геноме эукариот имеется много избыточной ДНК. В генетическом материале эукариот находятся неинформативные учас­тки – интроны, которые между между информативными - экзонами. Лнтроннс-экзонная организация генов у эукариот опреде­ляет необходимость преобразования первичного транскрилта (пре-информационной РНК'- продукта транскрипции) в зрелую и-РНК. Она долина быть освобождена от неинформативных участков и защи­щена против разрушающего воздействия ферментов цитоплазмы.

Кроме того, у эукариот появляется ядерная мембрана, кото­рая чространственно разобщаем место хранения генетической ин­формации (хромосомы, находящиеся в ядре) и место синтеза пеп­тидной цепи (рибосомы, находящиеся в цитоплазме). Иными словами, у эукариот процессе транскрипции и траслятши оказываются разоб­щенными как пространственно (ядерной обо.. 1кой), так и во време­ни (процессами созревания и-РНК).

Таким образом в ходе реализации наследственной информации' у эукариот могло выделить следующие этапы:

а) транскрипция

б) посттранскрипционные процессы (процесскнг)

в) трансляция

г) посттрансляционные процессы. <*

"а" и "б" протекают в ядре, "в" и "г" протекают в цитоплазме.

Транскрипция - процесс.переписывания информации, зашифрованной в молекуле дНК на молекулу и-РНК - осуществляется при участии фер­мента РНК-полимеразы. Этот фермент катализирует оборку И--РИК в направлении от 5' к 3* концу. Транскрипция осуществляется в со­ответствии с принципами комплементарности и антилараллеяькости. Вот почему она мо&ет происходить на одной из двух полпнуклеотидных цепей дНК, а именно, на той, которая начинается с З^г конца, с"; а цепь называется кодогенной.

 

 

транскрипция иРНК

 

кодогенная (матричная)цепь ДНК

 

структурная часть гена

В участке у молекулу аНК, соответствущем отдельному гену, перед структурной часть©, в которой зашифрована последовательнооть "аминоквслот. в--пептиде, осязательно располагается последователь-:юсть нуклеотидов, узнаваемая РПК-полимеразой. Такая последова­тельность называется промотором.

РНК-пслимераза находит промотор, взаимодействует с ним и после зтого, двигаясь вдоль молекулы дКК, обеспечивает посте­пенную сборку молекулы и-РНК в соответствии с принципами комп-лементарности и антипараллельности. В конце структурной части гена расположен участок с особой последовательностью нуклео­тидов -»те-рмилатор» Он обязательно включает один из нонсенс-триплетов ^.нв кодирующих аминокислоты.

В результате транскрипции синтезируется молекула пре-ин-формационной РНК.

Посттраяскршплонные пропеосы (птюцессинг) - это превращения, происходящие с первичным траыскриптом, направленные на образо­вание зрелой, стабилизированной и-РНК, способной выполнять функцию матрицы при тг^сяяции, и защищенной от рагрушащвго воздействия специфических ферментов цитоплазмы.

Основные стадии щхщессинта:

а) отщепление концевых участков первичного транскрипт^:

б) формирование на 5' конце колпачка, состоящего из особой пос­ледовательности нуклеотидов;

в) формирование на 3* конце полиадениловой последовательности нуклеотидов А А А А ;

г) метилирование некоторых внутренних азотистых оснований в транскрипте, стабилизирующее молекулу РНК;

д) вырезание неинформативных участков, соответствующих интронам дНК и сшивание (сплайсинг) участков, соответствующих экзокам

 

 

 

В результате процессинга у эук*>риот образуется зрелая и-РНК, ха­рактеризующаяся следующими особенностями строения:

Колпачок - особая последовательность нуклеотидов с метили­рованными основаниями, которая обеспечивает узнавание малых субъедгошц рибосом.

Лидер - вводная последовательность нуклеотидов, комплемен­тарная последовательности в молекуле р-РНК малой субъединиц:; рибосомы, которая обеопечивает прикрепление и-РЙК к малой субъединице.

Стартовый кодон - триплет нуклеотидов, кодирующий в боль­шинстве случаев аминокислоту формилметионин (АУЛ.

Кодирующая часть - последовательность кодонов, шифрутщих определенную последовательность аминокислот в соответствующей пептидной цепочке.

Трейлер - концевая часть молекулы и-РНК, включающая нок-сенс-кодон и поли-А последовательность.

Трансляция- процесс сборки пептидной цепи, происходящий в ци­топлазме на рибосомах на основании программы, содержащейся в и-РНК.

8 467k 27 *

Основные сазн тргнслятзгл: инициация

элонгация

терминация Инициация трансляции предполагает ел едущие события:

а) с помогая колпачка и-РНК находит в цитоплазме малую субъеда-

НЕПУ рибОСОМЫ,

б) с помощью лкдерной последовательности устанавливается связь „ с комплементарным участком определенно!⁵ фракции р-РНК и

и-РНК прикрепляется к \:алой субъеднннце, ») к стартовому кодону (АУТ) присоединяется т-РНК, несущая

формилиетгокин, р) малая субъедикица ассоциируется с большой субъединицей,в «й

ноацильном центре (АЦ) которой располагается формилметшнин.

 

Таким образом фаза инициации завершается формированием комп­лекса и-РНК и рибосомы и подстановкой начальной для всех пеп­тидных цепей аминокислоты - формилметионина.

Раза элонгации, т.е. нарастание пептидной цепи, осуществляет­ся путем постепенной подстановки аминокислот в соответствии с очередным ко доном и-РНК, который встает против аминоацильного центра.

 

 

К этому кодону присоединяется соответствущая т-РНК, имещая комплементарный ему антикодон. Она несет определенную аминокислоту, которая располагается в аминоадкльном центре (АЦ), Т-РНК, соединенная с предыдущим ко доном, оказывается в пеп-тидильяом центре (ГЩ), где располагает свою аминокислоту (це­почку аминокислот). Между двумя аминокислотами, расположенны-ми в пептидильноы и аминоадкльном центре, при участии имею­щихся здесь ферментов возникает пептидная связь -с.-//- • После установления пептидной

пептидная связь связи предыдущая т-РНК отделяет­ся от своей аминокислоты и своего кодона и уходит в цитоплаз­му» а последующая т-РНК, нагруженная цепочкой аминокислот, пе­реходит в ВД, заставляя и-РНК перемещаться вдоль рибосомы и ус­танавливать новый кодон против АЦ.

 

После прохождения через рибосому всей кодирующей части и-РНК на рибосоме собирается пептидная цепь с определенной последователь­ностью аминокислот.

Фаза термикацид наступает, когда в контакт с рибосомой приходит концевой участок и-РНК, который включает нонсенс-триплет, не ко-дируший никакой аминокислоты. На этом сборка пептидной цепи заканчивается.По мере освобождения 5» пептидная связь конца и-РЖ, колпачок может нахо­дить новые малые субъедини цы рибосом и пу ^f,ecc трансляции мо­жет повторно осуществляться на новых рибосомах. Комплекс рибо­сом, находящихся в контакте с одной молекулой и-РНК и синтези­рующих одинаковые пептидные цепи, называется полирибосомой (по-лисомой).

Посттрансляционные процессы

В ходе предыдущих этапов реализации наследственной инфор­мации обеспечивается синтез пептидной цепа, котбрая в боль­шинстве случаев начинается с аминокислоты формияметЕон.;с; и со­ответствует первичной структуре белковой молекулы. Последую­щие события заключаются в отщеплении форыилметионинс. в неко­торых случаях осуществляется моди^Ецировакие пептида после трансляции, формируется вторичная и третичная структура белка. Иногда для некоторых белков, характеризующихся четвертичной структурой, осуществляется объединение одинаковых,либо различ­ных лептидных цепей с образованием активно функционгрущего белка.

В зависимости от того, каковы функции белка (фермент, строительной материал, антитело и т.д.), он принимает участие в обеспечении морфо--функциональ1шх особенностей клетки (ojv^

ганжзма), т.е. в формировании определенных сложных признаков.

Это является завершающим этапом процесса реализации гене­тической информации.

3.5. Регуляция генной активности

Реализация наследственной информации в живых системах - это сложный процесс, требующий очень тонкой регуляции #*я того, что-'бы обеспечить в определенных клетках в -определенное время син­тез определенных белков а необходимом количестве.

Все клетки организма, возникая путем митоза, получают пол­ноценный набор генетической информации, образуемый при оплодот­ворении родительских гамет. Нес- ыотря на это, они отличаются по своим морфологическим, биохимическим и функциональным свойствам друг от друга. В основе этих различий лежит активное функциони­рование в разных клетках разных частей генома.

Большая часть генома в клетках opi-анизма находится в неак­тивном состоянии - репрессивном состоянии, и только приблизи­тельно 1055 генов ^репрессированы. т.е. активно транскрибируют­ся. Спектр транскрибируемых генов зависит от тканевой принад­лежности клетки, от периода ее жизнедеятельности и периода ин­дивидуального развития организма.

Регуляция активности генов может осуществляться на всех этапах реализации генетической информации, но наиболее экономи­чески выгодной является регуляция на стадии транскрипции.

Основная масса генов, активно функциснирующих в большинст­ве клеток организма на протяжении онтогенеза, - это гены, кото­рые обеспечивают синтез белков общего назначения (белки рибосом, хромосом, мембран я т.д.), т-ГЯК и р-РНК. Транскрибирование этих структурных генов обеспечивается соединением РНК-полимеразы с их промоторами и не подчиняется каким-либо другим регулирую­щим воздействиям. Такие гены называются конститутивными, другая группа структурных генов, обеспечивающих синтез некоторых бел­ков-ферментов, в своем функционировании зависит от различных регулирующих факторов и называете^п регулируемыми генами. Их ак­тивное функционирование, скорость и продолжительность транскри­бирования могут регулироваться как генетическими факторами, так ж факторами негенетической природы. - . Генетическими факторами регуляции тг*шскридцни генов явля-

ются гены - регуляторы и операторя_г Гены-регуляторы определяют синтез ^.яков-регуляторов, способных в активном состоянии соеди­няться с оператором, включающим или выключающим транскрипцию структурных генов. В зависимости от свойств белка-регулятора раз­личают негативный и позитивный контроль транскрипции со стороны гена-регулятора. При негативном контроле белок-регулятор, соеди­няясь с оператором, прекращает (выключает) транскрипцию. Такой белок называется репрессором. При позитивном контроле белок-регу­лятор, соединяясь с оператором, включает транскрипцию. В таком случае продукт гена-регулятора называется апоиндуктором.

 

Вид генетического контроля	Вид белка-регулятора	Исходная форма белка-регулятора	Экспрессия гена (транскрипция)
Негативный контроль	Репрессор Репрессор	Активный Неактивный	- +
Позитивный контроль	Апоиндуктор Апоиндуктор	Активный Неактивный	+ -

 

Таким образом наряду со структурными генами в геноме имеются ге­ны-регуляторы, которые, обеспечивая репрессию или дерепрессию структурных генов, регулируют процессы синтеза в клетке.

Наряду о генетическими факторами в регуляции экспрессии ге­нов важная роль принадлежит факторам негенетической природы - эф­фекторам. К ним относятся вещества небелковой природы, расщепляе­мые или синтезируемые в клетке при участии разд-^ых ферментов.

 

Вид эффектора	Вид белка-регулятора	Исходная форма белка-регулятора	Характер взаимодействия эффектора с белком-регулятором	Экспрессия генов (транскрипция)
Индуктор Индуктор	Репрессор Апоиндуктор	Активный Неактивный	Инактивация Активация	+ +
Корепрессор Корепрессор	Репрессор Апоиндуктор	Неактивный Активный	Активация Инактивация	- -

 

В аавксжмостн от того, как эффектор воздействует на активность генов, различают индукторы,включапзие транскрипцию генов, и ко-репрессоры. выключающие ее. действие эффектора заключается в его взаимодействии с белком-регулятором, при котором он либо акти­вируется и может соединяться с оператором, либо инактиви¹:•? этся в теряет способность соединяться с оператором.

Таким образом экспрессия генов является результатом регу­лирующего воздействия на процессы транскрипции как со стороны самсго генома (гены - регу, тторы и операторы), так и со стороны факторов вегеяетической природы.

Регуляция транскрипции у прокариот

Езучениб регуляции экспрессии генов на стадии транскрипции у прокариот привело в созданию в 1961 г. модели оперона (1акоб и Моно).

Оперся - это тесно связанная последовательность структурных ге­нов, определяющих синтез группы ферментов д*." ,<акой-либо одной цепи биохимических реакций и регулирующаяся как едино„ целое.

Модель оперона структурные гены

Особенностью прокариот является транскрибирование и-РНК со всех структурных генов оперона. Такал полицистронная и-РНК в даль­нейшем разрезается на фрагменты, соответствующие матрицам для синтеза отдельных ферментов. Цепи структурных генов оперона всегда предшествует промотор, узнаваемый РНК-полимеразой. 7 конститутивных гонов этого достаточно для осуществления транс­крипции. У регулируемых генов между промотором и структурнши генами располагается оператор - последовательность нуклеотидов, которая узнается белком-регулятором, находящимся в активном состоянии. Пример функциовдрования , актозного оперона 6..Сое/

При отсутствии в среде лактозы активнг" репрессор, взаимо­действуя с оператором, репрессирует гены ABC - транскрипции нет. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соеди­няется с оператором, и осуществляется транскрипция генов ABC,

отвечающих за синтез ферментов, которые расщепляют лактозу.

Пример негативного контроля функции лактозного оперона у E.coli

 

Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к соединению активного репрессора с опера­тором и выключению транскриЕции генов АЗС. Особенности регуляции транскрипции у эукариот

°У эукариот оперонная организация генов не установлена. Ге­ны, определяющие синтез 'ферментов, кателизиружих разные звенья в цепи биохимических реакций, могут быть рассеяны в геноме, и, возможно, не имеют/как у прокариот, един^ регулирующей систе­мы (г? -^г.лятор, промотор, оператор). Ь настоящее время ме­ханизмы регуляции и координафя активности таких генов оконча­тельно не выяснены. Однако их функционирование несомненно под­чиняется регуляторным воздействиям как внутри клетки (гены-ре­гуляторы), так и на уровне организма (гормона).

Помимо регуляции экспрессии генов на стадии тралс:ср:гп::ии, она может осуществляться и при процессинге (обсуждается роль нитронов) и в ходе трансляции и поеттрасляционнылг модификаций белков.

Несмотря на то, что регуляция на поздних этапах реализа­ции наследственной информации экономически менее выгодна клет­кам, она обеспечивает наиболее быстрый ответ на воздействие регулирующих факторов. Например прекращение трансляки/ пептид­ной цепи сразу дает эффект по сравнению с прекращение'.! транс­крипции соответствующего гена, так. как синтезированные молеку­лы и-РНК еще некоторое время после окончания транзхряппда обес­печивают в цитоплазме сборку пептидной цели. В совокупности все механизмы регуляции генной активности, обеспечивает произ­водство бглков в необходимом и достаточном в данный момент количестве.